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Integração de Máquinas de Medir por Coordenadas em Linhas de produção na Indústria 4.0

André Roberto de Sousa

Introdução

Engenheiro Mecânico com Mestrado e Doutorado em MetrologiaProfessor em cursos de graduação e pós gradação do IFSC na área de MetrologiaPesquisador e Coordenador de Projetos de P&D com empresasIdealizador e Coordenador do Programa FORMA3D de Formação em Metrologia 3D

Objetivo da Apresentação

Abordar a IoT e sua inserção na manufatura atual, analisando asoportunidades e desafios para a área de medição por coordenadasno cenário da chamada Indústria 4.0.

1. A HORA E A VEZ DOS SISTEMAS INTELIGENTES

A internet e os sistemas dito inteligentes (Cyber Physical Systems – CPS) estão causando e irão causar uma revolução nas nossas vidas.

Vocês já perceberam que muito dos aparelhos que nos rodeiam são ditos “Smart”?

Smart TVSmart PhoneSmart CarSmart HomeSmart Road


É a era da internet das coisas

Internet of Things ou IoT.

Exemplo do Smart Watch

Relógio de pulso com diversos sensores, capacidade de análise de dados e aprendizado, e conectividade com o mundo via intenet.


“Metrologia Embarcada”Olhos (câmera) e ouvidos (microfone) atentosTemperatura ambiente e corporalBatimento cardíacoPosição geográficaOrientação espacialVibraçõesEtc.

2. A ERA DAS FÁBRICAS INTELIGENTES

Estes conceitos e tecnologias podem e devem ser utilizados para produzir mais, melhor com menor custo e menor impacto ambiental

A inserção da IoT no contexto industrial tem o poder de causar uma nova revolução industrial, o que seria a 4ª revolução.

1ª Revolução: surgimento das máquinas a vapor2ª Revolução: massificação da produção3ª Revolução: automação da produção 4ª Revolução: produção inteligente

INDÚSTRIA 4.0 – SMART FACTORY

2. A ERA DAS FÁBRICAS INTELIGENTES

• Fábricas limpas e amigáveis com o meio ambiente• Sistemas de produção com inteligência embarcada em cada dispositivo• Processos extremamente flexíveis• Capacidade de produção em massa de modo customizado• Integração com o big data da internet e tecnologias de armazenamento e

processamento em nuvens• Conexão entre os sistemas: integração física e integração lógica• Máquinas capazes de “enxergar” o que se passa ao seu redor e tomar decisões

INOVAÇÕES QUE CARACTERIZAM UMA FÁBRICA INTELIGENTE

3. CENÁRIO POSSÍVEL EM UMA INDÚSTRIA 4.0

3 cilindros 4 cilindros V6 V8

Customização em Massa


Busca DATA Mining

Demanda identificada e volume estimado

População conectada

Movimento de buscaIdentificado

INFORMAÇÃO DE POSSE DA FÁBRICA...

3 cil3 cil

V6V8


Planejamento da Produção

Adequação de lay out

INFORMAÇÃO DE POSSE DA FÁBRICA...

Alocação de meios de produção

Setup, Startup e Follow up


Fabricação Assistida

Medição in line comCorreção de processo

Peças Instrumentadas

Manufatura FlexívelSistemas Cognitivos

Sensores Conectividade

Controle e Adaptabilidade

Sistemas com capacidade de “sentir” o que se passa ao seu redor e tomar decisões.

4. METROLOGIA NA INDÚSTRIA 4.0

Visibilidade é uma questão chave na Indústria 4.0

A Indústria 4.0 requer a integração de dados de muitos tipos de sensores para obter a visibilidade necessária para prever problemas, auto diagnosticar à medida que estes problemas ocorrem e auto regular processos para a solução destes problemas.

Tudo tem que estar visível!!

Máquinas com capacidade de “sentir” o que se passa ao seu redor e tomar decisões para que os processos funcionem sempre melhor.

4. METROLOGIA NA INDÚSTRIA 4.0

• Capacidade de adaptação a distintos cenários

• Proximidade da processos

• Conectividade e capacidade de tomar decisões

!

certas

Confiabilidade Metrologógica não muda de importância na Indústria 4.0

“medição in line”

A TECNOLOGIA REÚNE CARACTERÍSTICAS PROMISSORASM

itu

toyo

Flexibilidade IntegrabilidadeAutomaçãoConectividade

5. INTEGRAÇÃO DE MÁQUINAS DE MEDIR NA INDÚSTRIA 4.0

Exemplos atuais

Sistemas de Medição por Coordenadas para medição in lineM

itu

toyo

Hex

ago

n

Zeis

s


Ren

ish

aw

Co

ord

3

Hex

ago

n

Mit

uto

yo

Zeis

s

Exemplos atuais

Sistemas de Medição por Coordenadas para medição in line



• Proximidade com os processos• Robustez e Garantia de funcionalidade• Integração com sensores• Conectividade: MMC como coisa da IoT• Inteligência embarcada• Maior capacidade de interação com os

operadores: robótica assistiva

Nik

on

Zeis

s

CARACTERÍSTICAS:

Atuação direta no processo

Diagnósticos em tempo real

Pouca movimentação de materiais

Temperatura instável

Vibrações

Impurezas no ambiente

Calor residual e sujidade de processos

6. DESAFIOS PARA A MEDIÇÃO POR COORDENADAS

Dilatação térmica da máquina Dilatação térmica da peça

Gradiente espacial Variação no tempo

°C

h

Correção do efeito da temperatura em medição por coordenadas operando em modo absoluto.

x

Compensa erros causados pela temperatura ambienteConsidera o calor residual de erros na peçaAssume que o gradiente espacial é pequenoAssume que a temperatura da peça é homogênea

•Temp. e material da Peça

•Temp. e material das escalas

Cálculo do Erro

Resultado = Rx - Erro

Referenciado para 20°C (ISO1)

Correção do efeito da temperatura em medição por coordenadas operando em modo diferencial.

x1

x

1

Peça a medir

Peça calibrada

Resultado = Rx - (R1 – Valor Calibrado)

Compensação de erros

Compensa erros causados pela temperatura ambienteCompensa erros de medição da máquina de medirNão considera o calor residual da peça

6.1 AVALIAÇÃO METROLÓGICA DE SISTEMA OPERANDO EM MODO ABSOLUTO EM AMBIENTE SEM CONTROLE DE TEMPERATURA

Máquina de medir integrada a robô em ambiente sem controle de temperatura

22

22,5

23

23,5

24

24,5

25

25,5

26

26,5

-0,0050

-0,0030

-0,0010

0,0010

0,0030

0,0050

11

:27

11

:42

11

:57

12

:12

12

:27

12

:42

12

:57

13

:12

13

:27

13

:42

13

:57

14

:12

14

:27

14

:42

14

:57

15

:12

15

:27

15

:42

15

:57

16

:12

16

:27

16

:42

16

:57

17

:12

17

:27

17

:42

17

:57

18

:12

Diâmetro Altura Temperatura

Variação dimensional medida (mm) Temperatura ambiente (°C)

6.2 AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA DA CORREÇÃO DA TEMPERATURA CAUSADA PELO CALOR RESIDUAL NA PEÇA

Dimensão Comprimento Distância Largura

Valor de referência (mm) 392,1792 335,9911 166,2462

Medição a 20°C para estabelecer valores de referência

Esta mesma peça de alumínio foi deixada em um refrigerador até a sua temperaturachegar próximo a 12°C. Neste momento a peça foi levada até a máquina de medir,sendo medida duas vezes a cada 1°C de variação aproximadamente, enquanto a peçasofria a estabilização térmica natural até atingir a temperatura da sala de medição.

10,00

12,00

14,00

16,00

18,00

20,00

22,00

-0,0050

-0,0030

-0,0010

0,0010

0,0030

0,0050

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Comprimento

Largura

Distância

Temperatura

Variação de temperatura (°C)Variação dimensional (mm)

Após este teste, a peça foi levada até um aquecedor até sua temperatura chegarpróximo a 32°C. Neste momento a peça foi novamente levada à sala de medição, sendomedida duas vezes a cada 1°C de variação aproximadamente até sua temperaturaatingir temperatura de 20°C.

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

-0,0050

-0,0030

-0,0010

0,0010

0,0030

0,0050

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Comprimento

Distância

Largura

Temperatura

Variação de temperatura (°C)Variação dimensional (mm)

Dimensão Largura Comprimento Distância

Variação esperada sem a

compensação de temperatura

0,077 mm 0,183 mm 0,156 mm

Variação nos resultados com a

compensação de temperatura

0,003 mm 0,005 mm 0,004 mm

Redução da variação

dimensional com a

compensação

97% 95% 98%

201,7150

201,7170

201,7190

201,7210

201,7230

201,7250

8,5 10,2 11,8 13,2 14,3 16,1 16,9 17,7 18,3 18,8 19,3 19,7 20,6 32,2 33,6 34,9 36,2 36,8 37,3 38,0 38,5 39,1

Temperatura (°C)

Dim

ensã

o (

mm

)

Cg = 22,36Cgk = 13,53%RE = 6,0%

Tolerância = ± 0,05 mm

6.3 AVALIAÇÃO DA SENSIBILIDADE À TEMPERATURA DE SISTEMA DE MEDIÇÃO POR COORDENADAS OPERANDO EM MODO DIFERENCIAL

Scan on circle Master data - 50mm ring gauge

-0.155

-0.154

-0.153

-0.152

-0.151

-0.15

-0.149

-0.1481

11

21

31

41

51

61

71

81

91

101

111

121

131

141

151

161

171

21

22

23

24

25

26

27

28

Scan on circle

Temperature

Err

o (

mm

)

Tem

pera

tura

(°C

)

Diâmetro

Temperatura

180 Medições

Peça

Medição de anel padrão sem comparação com peça de referência

Scan on circle Measure data- 50mm ring gauge

-0.0006

-0.0005

-0.0004

-0.0003

-0.0002

-0.0001

0

0.0001

0.0002

0.0003

0.0004

1

12

23

34

45

56

67

78

89

100

111

122

133

144

155

166

177

21

22

23

24

25

26

27

28

Scan on circle

Temperature

Err

o (

mm

)

Tem

pera

tura

(°C

)

Diâmetro

Temperatura

180 Medições

X

Peça Padrão

Medição de anel padrão por comparação com peça de referência

6.4 AVALIAÇÃO DA ESTABILIDADE DA ESTRUTURA CARTESIANA DA MÁQUINA DE MEDIR DIANTE DE VARIAÇÕES DE TEMPERATURA

A correção de dilatação térmica linear não encerra o assunto...

Há que se avaliar como a estrutura cartesiana é sensível à variação de temperatura no tempo e no espaço.

• Como ficam os erros de perpendicularidade?• Como ficam os erros de retitude?• Como ficam os erros angulares?• Esses erros são importantes?

• Esses erros são importantes?

Erros de perpendicularidade são críticos no controle de tolerâncias de localização e orientação.

Erros de retitude afetam a exatidão no controle de tolerâncias de orientação e forma.

Erros angulares afetam o controle de praticamente todas as tolerâncias geométricas e dimensionais.

É importante que a estrutura cartesiana se mantenha estável mesmo na presença de dilatação térmica.

• Dilatação térmica é passível de correção.• Distorção térmica é de difícil correção.

Dilatação térmica da máquina Dilatação térmica da peça

• Inteligência embarcadao Máquina de medir que analisa a sua capacidade de

medir as tolerâncias das peçaso Máquina de medir que conhece seus erros e propõe uma estratégia

otimizada para o atendimento destas tolerâncias (posição, fixação, apalpação, processamentos)

o Máquinas de medir com a capacidade de autoverificação e autocalibração e correção de erros

o Máquina de medir com capacidade de aprender diante da experiências que vivencia ao seu redor

o Máquina de medir capaz de identificar peças e pessoaso Máquina de medir capaz de interagir de modo mais efetivo com os

operadores

7. OPORTUNIDADES E NECESSIDADES

4.0

• Inteligência embarcadao Máquina de medir com a capacidade

de sinalizar quando possui algum problema

o Máquinas de medir que sinalizam sobre o seu impacto ambiental

o Realidade aumentada para programação e operação da máquina, medição e análise de relatórios

o Visibilidade em tempo real e em qualquer lugar de todo o estado de funcionamento da máquina


• IoT não funciona sem bons aplicativos.• A Máquina é o sensor. Como usar as informações que ela gera?• São necessários aplicativos eficientes e fáceis de usar.• Os modelos que relacionam eventos com causas e determinam ações são

peça chave neste cenário.


• Precisamos de pessoas competentes para extrair o máximo de vantagens que o cenário da Indústria 4.0 permitirá.

• Importante saber o que fazer com tanta inovação e tirar o proveito dela.

• Informação e Qualificação para gerar capacidade de análise das tecnologias disponíveis e das possibilidades que elas geram.


• Os avanços tecnológicos e a IoT estão se integrando ao cenário industrial e têm o potencial de proporcionar avanços em todas as áreas, incluindo a área de metrologia e medição por coordenadas.

• O cenário na área de medição por coordenadas é vantajoso tanto para as CMMs como os ODS (Optical Digitizers and Scanners)

• Informe-se muito sobre as tecnologias e o conceito da Indústria 4.0, e os desdobramentos para a área de metrologia

• Verifique a pertinência destas tecnologias no seu cenário e o que elas podem agregar de valor às atividades de medição

• Cuidado com euforia. Atualmente a Indústria 4.0 ainda gera mais perguntas do que é capaz de responder. Estamos só no início.

• Prepare-se agora para o que virá.

CONCLUINDO

Obrigado.

[email protected]

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