Monitorização em linha da superfície durante o turbilhonamento da rosca
Projeto de investigação do IFW para determinar a qualidade da superfície durante o processo de turbilhonamento do fio.
O turbilhonamento de roscas é um processo amplamente utilizado para a produção de roscas. Este artigo descreve o desenvolvimento de um método para determinar a qualidade da superfície durante o processo de turbilhonamento de roscas. O processo está a ser desenvolvido conjuntamente pelo Instituto de Engenharia de Produção da Universidade de Hanover e pela Bornemann Gewindetechnik GmbH und Co KG num projeto de cooperação.
Os accionamentos de parafuso impulsionam a economia no verdadeiro sentido da palavra. São utilizados, nas suas várias formas, em máquinas-ferramentas, em veículos e na tecnologia de elevação e de transporte, por exemplo. Para garantir o seu funcionamento, os accionamentos de parafuso estão sujeitos a tolerâncias de fabrico apertadas. Para além do cumprimento das tolerâncias geométricas, a garantia de uma superfície com propriedades tribológicas definidas é um pré-requisito para a utilização eficiente de um acionamento por parafuso.
A geometria da rosca tem uma forte influência na área de aplicação do acionamento da rosca. Por exemplo, as roscas trapezoidais são utilizadas para movimentar cargas pesadas, uma vez que os flancos profundos da rosca permitem a transmissão de grandes forças. Se a carga for elevada apenas numa direção, como nas prensas de parafuso, são utilizadas as roscas de serra. As roscas trapezoidais e de serra são normalmente fabricadas através do processo de turbilhonamento de roscas. As razões para isso são, por um lado, os tamanhos geralmente pequenos dos lotes e, por outro lado, as propriedades de superfície favoráveis que resultam do processo.
A figura 2 mostra a cinemática do processo de turbilhonamento. Durante o processo de fabrico, a qualidade da superfície durante o turbilhonamento é determinada principalmente pelo estado de desgaste e pela precisão posicional das arestas de corte. No entanto, atualmente não é possível monitorizar o desgaste da ferramenta ou a superfície durante o processo. Por um lado, o flanco da rosca é difícil de alcançar devido à sua posição e, por outro lado, a rotação da ferramenta e da peça de trabalho durante o processo dificulta o registo dos dados de medição.
Por estas razões, a qualidade da superfície da máquina é atualmente controlada apenas de forma aleatória, com base na experiência do pessoal. Para evitar rejeições e garantir a elevada qualidade dos accionamentos dos parafusos, um projeto conjunto entre a Bornemann Gewindetechnik GmbH e o Instituto de Engenharia de Produção e Máquinas-Ferramenta (IFW) da Universidade Leibniz de Hanôver visa desenvolver um sistema de medição para a monitorização paralela ao processo da qualidade da superfície de roscas trapezoidais.
O método dos vórtices
Para analisar a tarefa de medição, é necessário considerar primeiro a cinemática do processo de fabrico. No turbilhonamento de roscas, a superfície da rosca é produzida por um movimento combinado do giroscópio e da peça de trabalho (ver Fig. 2). O giroscópio tem normalmente entre três e oito arestas de corte, distribuídas uniformemente pela circunferência, que reproduzem o contorno de uma rosca.
Para além da cinemática do processo de fabrico, a aplicação subsequente também tem influência no método de medição a selecionar. Uma vez que o contacto entre a porca roscada e o fuso roscado ocorre idealmente ao longo de todo o flanco da rosca, é necessário registar toda a superfície do flanco da rosca para poder avaliar a qualidade.
A rotação da peça de trabalho durante o processo exclui tanto os métodos tácteis como os métodos ópticos com uma pequena gama de medição para a deteção da superfície, uma vez que seria necessário um movimento adicional do sensor para detetar todo o flanco. Um método de medição adequado deve permitir a deteção de todo o flanco da rosca num único processo de medição. Uma câmara industrial monocromática destina-se a este fim.
Como prova de funcionamento, foram registadas com a câmara roscas com superfícies dentro dos requisitos (OK) e roscas com superfícies fora dos requisitos (NOK). As imagens das superfícies de uma rosca trapezoidal TR 65×7 e de uma rosca trapezoidal TR 80×10 são apresentadas na Figura 3. Devido às diferentes propriedades da superfície, o comportamento de reflexão das superfícies é muito diferente. Por conseguinte, a distribuição dos valores de cinzento da imagem varia consoante a qualidade da superfície.
O histograma esquemático mostra que a amplitude do valor máximo é significativamente reduzida nas roscas com superfícies n.i.O. em comparação com as que têm superfícies i.O.. A alteração no valor máximo de cinzento é diferente para diferentes tamanhos de rosca. Para poder utilizar o comportamento de reflexão alterado para a monitorização da superfície, é necessário poder definir a fronteira entre a superfície O.O. e N.O.O., mesmo com um tamanho de rosca alterado.
Desafios decorrentes dos requisitos de admissão
A aplicação do processamento de imagens no processo de fabrico requer uma diferenciação fiável e repetível entre superfícies n.i.O. e i.O.. Para permitir uma diferenciação precisa, é necessário identificar e analisar as variáveis que influenciam durante a aquisição de imagens.
As variáveis de influência identificadas na imagem captada são apresentadas num diagrama de Ishikawa na Figura 4. A variável-alvo (vermelho) para o processamento da imagem é a rugosidade. As variáveis de controlo (verde) para a aquisição de imagens incluem o tempo de exposição e a direção de exposição. As variáveis de controlo devem ser definidas de modo a que seja gerada uma imagem nítida da superfície sob as condições de fronteira dadas (laranja), tais como a velocidade da peça de trabalho. As condições de fronteira que não podem ser compensadas pelas variáveis de controlo devem ser compensadas por outras medidas, como a proteção da câmara contra a contaminação.
As variáveis de influência identificadas foram analisadas numa configuração de teste numa máquina-ferramenta, de modo a poder ajustar as variáveis de controlo de forma tão controlada quanto possível. Está atualmente a ser desenvolvido um algoritmo de processamento de imagem baseado nas diferenças de valores de cinzento das superfícies, utilizando as imagens registadas.
Perspectivas
Atualmente, está a ser desenvolvida uma configuração de medição optimizada para o processo, com base no ajuste da variável manipulada controlada. A configuração garante que o algoritmo também pode ser utilizado durante o processo de turbilhonamento. O sistema de monitorização da superfície apresentado faz parte de um sistema de monitorização da qualidade para o turbilhonamento de roscas. Na próxima etapa, o sistema apresentado e um outro sistema de registo dos parâmetros geométricos da rosca na máquina de turbilhonamento serão postos em funcionamento. Segue-se o desenvolvimento de um algoritmo de monitorização da qualidade para avaliação da qualidade em linha com base nos dados de medição. O estado de qualidade determinado será posteriormente utilizado para obter recomendações para os operadores.
Agradecimentos
O projeto de investigação “Monitorização online da qualidade no turbilhonamento de fios – Quali-Wirb” é financiado pelo Ministério Federal da Economia e da Proteção do Clima (BMWK), no âmbito do Programa Central de Inovação para as PME (ZIM), com base numa decisão do Bundestag alemão, e é supervisionado pela Federação Alemã das Associações de Investigação Industrial “Otto von Guericke” (AiF). O IFW e o seu parceiro de cooperação Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co KG gostariam de expressar os seus agradecimentos pelo apoio financeiro a este projeto.
B. Denkena, H. Klemme, N. Klages
Instituto de Engenharia de Produção e Máquinas-Ferramentas (IFW)
Universidade Leibniz de Hannover