Medicao 3D Opto-Eletronica

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CENTRO UNIVERSITRIO DA FEI

PAULO ROGRIO VIEIRA

A UTILIZAO DE MQUINAS OPTO-ELETRNICAS PORTTEIS DE LONGO ALCANCE PARA MEDIO TRIDIMENSIONAL COMO FATOR DE OTIMIZAO FABRIL

So Bernardo do Campo 2003

CENTRO UNIVERSITRIO DA FEI

PAULO ROGRIO VIEIRA

A UTILIZAO DE MQUINAS OPTO-ELETRNICAS PORTTEIS DE LONGO ALCANCE PARA MEDIO TRIDIMENSIONAL COMO FATOR DE OTIMIZAO FABRIL

Trabalho de concluso de curso apresentado ao Centro Universitrio da FEI, como requisito final para concluso do curso de Ps-graduao em Administrao de Empresas para Engenheiros, sob orientao do Prof. Carlos Alberto Valadares.

So Bernardo do Campo 2003

DEDICATRIA

Aos meus pais, minha esposa e minha filha que sempre estiveram ao meu lado nos momentos mais importantes da minha vida.

AGRADECIMENTOS

Agradeo s empresas Leica Geosystems Inc., Probe Systems e Tecsis pelo fornecimento de grande parte do material utilizado para concluso desse trabalho.

Ao professor Carlos Alberto Valadares por me dar o prazer e a honra de ser meu orientador durante a execuo desse trabalho.

O melhor uso que podemos fazer de nossas vidas utiliz-las em algo mais duradouro que a prpria vida. Autor desconhecido

RESUMO

Esse trabalho apresenta a descrio do funcionamento, caractersticas e principais aplicaes de trs tipos de mquinas opto-eltronicas portteis de longo alcance para medio tridimensional utilizados como fator de otimizao do processo fabril de peas e equipamentos de grande porte: o teodolito, o Laser Tracker e o sistema de fotogrametria. Industrias aeroespaciais, automotivas, ferrovirias, navais, de telecomunicao e de gerao de energia, sempre tiveram dificuldades em seus processos de controle dimensional durante e aps a fabricao. Empresas aeroespaciais como Boeing, Airbus, Embraer e inclusive NASA, tinham at h pouco tempo atrs mtodos de controle dimensionais hoje obsoletos como a utilizao de micrmetros tubulares, rguas, nveis e linhas, ou ento processos caros, trabalhosos e que ocupam muito espao, como a fabricao de modelos padres (Mock-up), tudo isso por no ser possvel ou vivel o transporte do objeto at uma mquina de medio ou por no existirem mquinas com grande capacidade, e ainda pela necessidade de medir o objeto em locais especiais como em tneis de vento. Com o aumento da concorrncia, da exigncia dos clientes e conseqente diminuio da variao dimensional dos produtos, essas empresas cada vez mais deixam de lado os sistemas de medio obsoletos, imprecisos, inflexveis e de capacidade dimensional limitada, e optam por precisas e flexveis mquinas tridimensionais portteis de longo alcance.

Palavras Chave: Mquinas Tridimensionais Portteis; Controle Dimensional; Peas de grande porte.

LISTA DE TABELAS

TABELA 2.1 - Tabela Comparativo da medio com FTs x alvos comuns ...............63

LISTA DE ILUSTRAES

ILUSTRAO 1.1: Visualizao grfica do software do Laser Tracker.....................15 ILUSTRAO 1.2: Medio da seo de um navio durante a fabricao.................16 ILUSTRAO 1.3: Desenho esquemtico de teod. operados por computados........19 ILUSTRAO 1.4: Desenho esquemtico do funcionamento do Laser Tracker.......19 ILUSTRAO 2.1: Teodolito - Estao Total............................................................22 ILUSTRAO 2.2: Medio de ngulos....................................................................23 ILUSTRAO 2.3: Triangulao...............................................................................23 ILUSTRAO 2.4: Esquema bsico de preparao de Teodolitos...........................24 ILUSTRAO 2.5: Refletores e alvos........................................................................25 ILUSTRAO 2.6: Medio com Estao Total........................................................25 ILUSTRAO 2.7: Medio em coordenada polar....................................................25 ILUSTRAO 2.8: Ilustrao 2.8: Fabricao de um Modelo Padro.......................28 ILUSTRAO 2.9: Localizao dos pontos de alinhamento da turbina do avio......30 ILUSTRAO 2.10: Perfis de controle das asas.......................................................30 ILUSTRAO 2.11: Foto de um avio durante a montagem final.............................30 ILUSTRAO 2.12: Medio de um modelo em tnel de vento................................31 ILUSTRAO 2.13: Medio do perfil da porta.........................................................33 ILUSTRAO 2.14: Montagem de ferramental.........................................................33 ILUSTRAO 2.15: Medio do Skid......................................................................33 ILUSTRAO 2.16: Medio do produto...................................................................33 ILUSTRAO 2.17: Medio da estrutura do trem....................................................34 ILUSTRAO 2.18: Medio do trem no campo.......................................................34

ILUSTRAO 2.19: Medio da seo de um navio.................................................34 ILUSTRAO 2.20: Monitoramento da torre de resfriamento...................................35 ILUSTRAO 2.21: Antena parablica montada com Teodolito...............................35 ILUSTRAO 2.22: Verificao geomtrica de maquinas de usinagem...................36 ILUSTRAO 2.23: Posicionamento de pea em uma turbina gs.......................36 ILUSTRAO 2.24: Figura ilustrando uma aplicao com milhares de pontos........37 ILUSTRAO 2.25: Laser Tracker Designer atual...............................................38 ILUSTRAO 2.26: Medies polares......................................................................38 ILUSTRAO 2.27: Medio manual com o IFM......................................................40 ILUSTRAO 2.28: Medio automtica com o ADM...............................................40 ILUSTRAO 2.29: Trajetria do laser......................................................................42 ILUSTRAO 2.30: Trajetria do laser......................................................................42 ILUSTRAO 2.31: Trajetria do laser......................................................................42 ILUSTRAO 2.32: Ilustrao da calibrao de robs..............................................45 ILUSTRAO 2.33: Calibrao de rob....................................................................45 ILUSTRAO 2.34: Desenho ilustrando a montagem de um dispositivo utilizando o Build.........................................................................................................................46 ILUSTRAO 2.35: Aferio de um dispositivo com o Laser Tracker......................47 ILUSTRAO 2.36: Controle de uma superfcie em relao ao modelo de CAD....48 ILUSTRAO 2.37: Digitalizao de uma pea com o Laser Tracker......................48 ILUSTRAO 2.38: Pea original..............................................................................49 ILUSTRAO 2.39: Desenho originado pela ER.......................................................49 ILUSTRAO 2.40: Figura ilustrativa da mquina Hexpode...................................50 ILUSTRAO 2.41 Sistema antigo de Fotogrametria...............................................52 ILUSTRAO 2.42: Portabilidade do sistema de Fotogrametria...............................52

ILUSTRAO 2.43: Cmera INCA............................................................................53 ILUSTRAO 2.44: Princpio do Sistema de Fotogrametria.....................................53 ILUSTRAO 2.45: Alvos ou Targets........................................................................55 ILUSTRAO 2.46: Tooling Targets..........................................................................55 ILUSTRAO 2.47: Alvo Codificado..........................................................................55 ILUSTRAO 2.48: : Feature Target......................................................................55 ILUSTRAO 2.49: Projetor de alvos Pro-spot........................................................56 ILUSTRAO 2.50: Medio com o sistema de fotogrametria no modo off-line....57 ILUSTRAO 2.51: Medio com o sistema de fotogrametria no modo on-line....58 ILUSTRAO 2.52: Apalpador vertical, horizontal e pontas.....................................58 ILUSTRAO 2.53: Posicionamento das cmeras em uma medio off-line.........59 ILUSTRAO 2.54: Relatrio de medio.................................................................60 ILUSTRAO 2.55: Medio de navios com sistema de Fotogrametria...................61 ILUSTRAO 2.56: Ponta de asa.............................................................................62 ILUSTRAO 2.57: Anlise da ponta de asa............................................................62 ILUSTRAO 2.58: Anlise de uma antena..............................................................62 ILUSTRAO 2.59: Anlise de um mock-up de helicptero...................................62 ILUSTRAO 2.60: Medio com FT........................................................................63 ILUSTRAO 2.61: Medio de Skid em fbrica de caminhes............................63 ILUSTRAO 2.62: Medio de um gerador de vapor em usina nuclear.................64 ILUSTRAO 2.63: ICAN..........................................................................................64 ILUSTRAO 2.64: Esquema ilustrando o posicionamento de peas com rob......65 ILUSTRAO 2.65: Posicionamento de pea com rob...........................................65 ILUSTRAO 2.66 Medio de posicionamento.......................................................65 ILUSTRAO 2.67: Rob executando uma furao.................................................66

ILUSTRAO 2.68: Posicionamento de mquina.....................................................66 ILUSTRAO 3.1: Posicionamento de uma turbina gs........................................68 ILUSTRAO 3.2 monitoramento da torre de resfriamento em usina nuclear..........68 ILUSTRAO 3.3: Esquema funcionamento dos geradores elicos.........................70 ILUSTRAO 3.4: Instalao de geradores elicos utilizada como pastagem.........73 ILUSTRAO 3.5: Grfico de fluxo de vento vs vazo de gua do Rio So Francisco....................................................................................................................74 ILUSTRAO 3.6: Fabricao de ps e geradores elicos......................................75 ILUSTRAO 3.7: Desenvolvimento de projetos......................................................76 ILUSTRAO 3.8: Fabricao de ps de alta qualidade...........................................77 ILUSTRAO 3.9: Hangar de fabricao da Embraer..............................................77 ILUSTRAO 3.10: Ventiladores industriais de alto desempenho............................79 ILUSTRAO 3.11: Posicionamento do gabarito no molde......................................81 ILUSTRAO 3.12: Medio do molde do intradorso aprox. 5m de altura............82 ILUSTRAO 3.13: Medio da p em ambiente aberto e piso de terra a 34?C.....83 ILUSTRAO 3.14: Digitalizao da superfcie do molde extradorso.......................84 ILUSTRAO 3.15: Ilustrao mostrando a nuvem de pontos escaneada na tela do computador ................................................................................................................84 ILUSTRAO 3.16: Relatrio grfico da inspeo da p..........................................84 ILUSTRAO 3.17: Visita do cliente durante a inspeo do molde da maior p do mundo.........................................................................................................................87 ILUSTRAO 3.18: Geradores de energia elica montados em seqncia.............90

SUMRIO

1INTRODUO.........................................................................................................15 1.1 Justificativa...........................................................................................................16 1.2 Objetivo................................................................................................................17 1.3 Descrio da pesquisa.........................................................................................17 1.4 Delimitao da pesquisa......................................................................................17 1.4.1 Delimitao ao Nvel Cronolgico.....................................................................18 1.4.2 Delimitao ao Nvel Espacial...........................................................................20 1.4.3 Delimitao ao Nvel de Aspectos.....................................................................20 2 DESENVOLVIMENTO BIBLIOGRFICO................................................................22 2.1 Teodolitos.............................................................................................................22 2.1.1 Aplicaes aeroespaciais do Teodolito.............................................................26 2.1.1.1 Fabricao de dispositivos atravs de Virtual Mock up...............................26 2.1.1.2 Controle dimensional de produtos..................................................................29 2.1.1.3 Utilizao em departamentos de pesquisa e desenvolvimento (P&D)...........31 2.1.2 Aplicaes automotivas do Teodolito................................................................32 2.1.3 Outras aplicaes do Teodolito.........................................................................33 2.2 Rastreador Interferomtrico Tridimensional.........................................................37 2.2.1 Aplicaes do Laser Tracker Calibrao de robs.........................................44 2.2.2 Aplicaes do Laser Tracker Fabricao de dispositivos...............................45 2.2.3 Aplicaes Inspeo de superfcies em relao ao modelo de CAD.............47 2.2.4 Aplicaes do Laser Tracker Engenharia Reversa (ER)................................49 2.2.5 Aplicaes do Laser Tracker Aferio geomtrica de mquinas...................49 2.2.6 Aplicaes do Laser Tracker Usinagem virtual de peas...............................51 2.3 Sistema de Fotogrametria....................................................................................52 2.3.1 Aplicaes da Fotogrametria Medies de objetos de grande porte.............61 2.3.2 Aplicaes da Fotogrametria Verificao de superfcies complexas e ER....62 2.3.3 Aplicaes da Fotogrametria Medio de dispositivos automotivos..............63 2.3.4 Aplicaes da Fotogrametria Medio em condies especiais....................64 2.3.5 Aplicaes da Fotogrametria Posicionamento automtico de peas.............65

3 ESTUDO DE CASO................................................................................................67 3.1 Tema....................................................................................................................67 3.2 Justificativa...........................................................................................................67 3.3 Consideraes gerais...........................................................................................68 3.4 Panorama da energia elica.................................................................................69 3.4.1 Custo da energia elica.....................................................................................72 3.5 Informaes sobre a empresa Tecsis..................................................................74 3.5.1 Qualidade reconhecida internacionalmente......................................................75 3.5.2 Ps para turbinas elicas..................................................................................76 3.5.3 Setor aeroespacial............................................................................................77 3.5.4 Ventilao indstrial..........................................................................................78 3.5.5 Know-how aplicado em outros setores da indstria..........................................79 3.6 Inspeo de moldes e ps para geradores de energia elica pelo processo convencional vs fabricao com Laser Tracker.........................................................80 3.6.1 Inspeo de moldes pelo processo convencional.............................................80 3.6.2 Inspeo de moldes e ps utilizando o Laser Tracker......................................82 3.6.3 Vantagens qualitativas na utilizao do Laser Tracker para inspeo de ps e moldes para geradores elicos..................................................................................85 3.6.4 Vantagens quantitativas (econmicas) na utilizao do Laser Tracker para inspeo de moldes para geradores elicos..............................................................87 3.6.5 Informaes adicionais sobre a utilizao do Laser Tracker na inspeo de ps e moldes para geradores de energia elica...............................................................89 4 CONCLUSO..........................................................................................................92 REFERNCIAS..........................................................................................................93

1 INTRODUO

Assim como a eletrnica tem sido limitada pela reduo cada vez maior de seus componentes, a mecnica encontra seu limite nas grandes dimenses das peas e equipamentos, principalmente quando aliada s baixas tolerncias de fabricao, o que torna invivel a utilizao de sistemas de medio obsoletos, caros e lentos em seus processos produtivos. Alm disso, com o aumento da competitividade, muitas vezes o prazo de lanamento de um produto, como tambm sua qualidade, passaram a ser itens decisivos para ter sucesso no mercado mundial. Essa tendncia contraditria de crescimento dimensional vs diminuio das tolerncias um desafio produtivo para vrias empresas em todo o mundo, porm empresas especialmente dos EUA e Europa tm solucionado esses problemas por meio da utilizao de mquinas opto-eletrnicas portteis de longo alcance para medio tridimensional, que aliadas a modernos sistemas de CAD possibilitam a execuo de medies extremamente precisas, rpidas e flexveis (ilust. 1.1), isso tudo, obviamente independe do tamanho do objeto e do local onde o mesmo medido (ilust. 1.2).Ilustrao 1.1 : Visualizao grfica do software do Laser Tracker

Fonte: Catlogo Leica Axyz Integrated Indstrial Measuring System p. 11. Ref. 711090en VI.99 Ilustrao 1.2 : Medio da seo de um navio durante a fabricao

Fonte: Catlogo Leica DCA TC Single Sensor 3D Control and Analysis System for Large Scale Assemblies Ref.UI-288-OEN-X.95

1.1 Justificativa

No mercado nacional a aplicao das mquinas opto-eletrnicas portteis de longo alcance muito menor, apesar de cada vez mais ganharem espao no mercado de mquinas de medio, isso devido a pouca divulgao e principalmente a falta de informao sobre esses sistemas de medio. Aplicaes at hoje impossveis de serem executadas, ou executadas com precariedade e principalmente sem a certeza do resultado obtido durante a medio, sero cada vez mais otimizadas com a utilizao das mquinas opto-eletrnicas portteis de longo alcance, porm para isso ser necessrio um grande trabalho de divulgao e principalmente esclarecimentos sobre esses sistemas, sendo esse um trabalho que dever cada vez mais ser feito atravs da parceria entre as empresas e instituies de ensino.

1.2 Objetivo

Frente falta de informao do mercado, este trabalho tem como objetivo apresentar e esclarecer as principais dvidas sobre o funcionamento e aplicaes das mquinas opto-eletrnicas portteis de longo alcance para medio tridimensional, onde sero descritas suas principais vantagens em relao aos sistemas convencionais de medio de longo alcance utilizados nos processos de fabricao e controle de peas e equipamentos.

1.3 Descrio da pesquisa

Essa pesquisa do tipo descritiva de cunho documental, e como mencionado abordar somente o estudo de trs tipos especficos de mquinas, o teodolito, o Laser Tracker e o sistema de fotogrametria, sendo a principal fonte de consulta utilizada para sua execuo casos prticos ocorridos em vrios pases do mundo, em especial pases do continente norte americano e Europa.

1.4 Delimitao da pesquisa

Para que o trabalho possa ser executado com um nvel de qualidade satisfatrio, a pesquisa ser delimitada nos seguintes nveis: Delimitao ao Nvel Cronolgico Delimitao ao Nvel Espacial Delimitao ao Nvel de Aspectos

1.4.1 Delimitao ao Nvel Cronolgico

Algumas mquinas ticas portteis de longo alcance como os teodolitos e as cmeras fotogrametricas so utilizadas h vrias dcadas como instrumentos de medio tanto na indstria mecnica como na indstria de construo civil, porm somente no incio da dcada de 80, com o advento da utilizao em massa dos computadores portteis e com o surgimento dos primeiros teodolitos eletrnicos, que foi possvel a utilizao dos teodolitos como sistemas de medio tridimensional precisos e flexveis como so conhecidos na atualidade. Os sistema de fotogrametria, foram e ainda so, sistemas muito utilizados na gerao de mapas por meio da fotogrametria area, e mesmo na indstria mecnica durante dcadas os sistemas de fotogrametria foram utilizadas na medio de peas e equipamentos, porm esse trabalho era feito com mquinas fotogrficas que trabalhavam com filmes, onde as fotos eram tiradas e reveladas horas depois. Como os teodolitos, a medio fotogramtrica s foi possvel ser aplicada com rapidez e preciso aps o surgimento das cmeras eletrnicas digitais no incio da dcada de 90. Essas cmeras digitais permitem que as fotos tiradas sejam enviadas automaticamente para computadores com softwares modernos e potentes que calculam com preciso as coordenadas dos pontos medidos frao de segundos aps a execuo das fotos. Na dcada de 90, algumas empresas e instituies brasileiras como Embraer e INPE j utilizavam teodolitos eletrnicos de alta preciso controladas por softwares em sistema DOS especialmente desenvolvidos para suas aplicaes (ilust. 1.3).

Ilustrao 1.3 : Desenho esquemtico de teodolitos operados por computados

Fonte: Catlogo Leica Mobile 3D metrology Measurably Better - p. 4 Ref.UI-241E VII.92

J outra mquina tridimensional de alta preciso chamada Laser Tracker (ilust. 1.4) inventada em meados de 1990, s comeou a ser aplicada no Brasil no final de 1997 na fbrica da Embraer, sendo adquiridas mais 6 unidades nos anos seguintes.Ilustrao 1.4 : Desenho esquemtico dofuncionamento do Laser Tracker

Fonte: Catlogo Leica Smart 310 - 3D Laser Tracker - p. 6 Ref. UI-206e V.93

Apesar dos sistemas de medio pticos serem aplicados h dcadas, esse trabalho abordar somente o perodo de 1980 at a atualidade pois compreende o perodo onde se iniciaram e desenvolveram as mquinas optoeletrnicas portteis de longo alcance para medio tridimensional, que so o foco de nosso estudo.

1.4.2 Delimitao ao Nvel Espacial

Como mencionado no item anterior algumas mquinas ticas portteis de longo alcance como os teodolitos e os sistema de fotogrametria so muito utilizadas na construo civil, na gerao de mapas e na medio topogrfica de terrenos, porm o objeto de nosso estudo ser somente a aplicao desses equipamentos na indstria mecnica de grande porte. Entende-se ento por indstria mecnica de grande porte as industrias aeroespaciais, automotivas, ferrovirias, de mquinas de usinagem, de gerao de energia (elica, hidroeltrica, nuclear e atravs da queima de gs), comunicao (fabricao e instalao de antenas parablicas e fabricao de satlites) e instituies de pesquisa.

1.4.3 Delimitao ao Nvel de Aspectos

Os aspectos pertinentes s mquinas opto-eletrnicas portteis de longo alcance para medio 3D que sero levados em conta nesse trabalho so:

- Grande capacidade dimensional: caractersticas

umas das mais importantes

das mquinas opto-eletrnicas portteis de longo alcance, a

capacidade dimensional ou o alcance de medio, tendo um destaque especial para o teodolito que pode medir distncias de at 120 metros com 0,5mm de preciso; - Preciso de medio: alm do grande alcance, a alta preciso de medio outra caracterstica nica desse tipo de equipamento, as medies podem ser executadas com preciso de at 0,008 mm por metro, ou seja, um objeto com 10m de comprimento pode ser medido com preciso de at 0,08 mm; - Facilidade de utilizao: as mquinas opto-eletrnicas portteis so mquinas muito simples de serem utilizadas, pois apesar dos seus softwares serem muito potentes, so muito fceis de serem utilizados ( user friendly ); - Alta portabilidade :devido sua alta portabilidade, as mquinas opto-eletrnicas portteis de longo alcance podem ser utilizadas em locais onde outros sistemas de medio no teriam acesso. O sistema de fotogrametria por exemplo pode ser transportado dentro de uma pequena mala, podendo ser levado como bagagem de mo no avio, e com um revestimento especial, a fotogrametria pode ser utilizada em cmaras de presso e locais com radioatividade; - Velocidade de trabalho: como resultado de todos os recursos mencionados acima, a velocidade de trabalho das mquinas opto-eletrnicas

portteis de longo alcance para medio tridimensional muito alta, isso devido ao pouco tempo gasto com a medio dos objetos e com a fcil automao do processo de medio, independente do local e do tamanho do objeto.

2 DESENVOLVIMENTO BIBLIOGRFICO

2.1 Teodolitos

Os teodolitos (ilust. 2.1) so utilizados h muito tempo na engenharia civil sendo empregados na medio de construes, estradas e principalmente para a medio topogrfica de terrenos, e nos ltimos anos tm sido muito empregados na engenharia mecnica para a medio de equipamentos e peas de grande porte, devido ao seu alcance, preciso e portabilidade. A utilizao do teodolito na mecnica s foi sedimentada aps a comunicao destes com os computadores, pois nos sistemas antigos s era possvel obter os valores dos ngulos, e nos atuais tambm so fornecidas as coordenadas em X, Y e Z de cada ponto em relao ao sistema de coordenada da pea. Isso resultou nos teodolitos eletrnicos acoplados a computadores com software de medio utilizados na atualidade.Ilustrao 2.1: Teodolito - Estao Total

Fonte: Foto gentilmente cedida pela Leica Geosystems Inc.

Basicamente so dois os tipos de teodolitos, e estes apresentam diferentes princpios de funcionamento. So eles: - Teodolito Standard; - Teodolito Total ou Estao Total.

O Teodolito Standard basicamente um instrumento utilizado para medio de ngulos (horizontal e vertical) (ilust. 2.2)e utiliza um telescpio para o foco preciso do centro do alvo. Com os ngulos verticais e horizontais de dois ou mais teodolitos em relao aos alvos e com a posio relativa entre eles, possvel se estabelecer, atravs de uma triangulao (ilust. 2.3), a posio dos alvos em X,Y e Z no espao [SANDWITH,1993].Ilustrao 2.2: Medio de ngulos Ilustrao 2.3: Triangulao

Fonte: Catlogo Leica TPS 5000 Electronic Precision Theodolites for Industrial Applications - p. 5 Ref. UI-300-0EN - IV.98

O procedimento de preparao, coleta de dados e anlise dos pontos medidos (nas coordenadas do objeto) com o teodolito standard, pode ser resumido da seguinte forma (ilust. 2.4): - Orientao mtua dos teodolitos em relao a referncias no espao, que podem ser pontos em comum, incluindo barra de escala ou outras distncias conhecidas e, atravs de um balanceamento matemtico (Bundle Adjustment), podero ser definidas as posies dos equipamentos em relao ao sistema de coordenadas local e entre si; - Transformao do sistema de coordenadas local em um sistema de coordenadas do objeto, utilizando pontos de referncia do objeto que possuam coordenadas conhecidas. Tudo isto independente da posio e orientao do objeto;

- Coleta de dados ou de pontos j no sistema de coordenadas do objeto; - Se necessrio, executar anlises de funes geomtricas como crculos, posies de eixos, direes de vetores, comparaes dos valores de coordenadas nominais com reais, anlise e posicionamento de elementos (Build) e comparativo de modelos de CAD com peas reais [MNCH & BAERTLEIN, 1993].

Ilustrao 2.4: Esquema bsico de preparao de Teodolitos

Fonte: Pratice Report Leica Dimensional Measuring Thechniques in the Automotive and Aircraft Industry - p. 3 - Ref. U1-273-0en III.94

Principais caractersticas tcnicas do Teodolito Standard: - Resoluo angular = 0.1, 0.00001? ; - Desvio Padro conforme DIN18723, 1? = 0.5 ; - Pode trabalhar de 2 a 8 teodolitos em conjunto; - Armazenamento dos dados em carto PCMCIA, memria interna ou em um PC; - Temperaturas: - de trabalho = -20 ate 50 ?C; - de armazenamento = -40 ate 70 ?C.

Fonte: Catlogo Leica TPS 5000 Electronic Precision Theodolites for Industrial Applications Ref. UI-300-0EN - IV.98

O Teodolito Total ou Estao Total um equipamento que mede o ngulo vertical e horizontal, como o teodolito standard, e tambm a distncia do alvo. A medio de distncia feita atravs de um raio infravermelho que sai do centro da luneta e que ao atingir um refletor (ilust. 2.5) retorna para o ponto de partida (ilust. 2.6), e tomando como referncia o comprimento de onda do raio infravermelho possvel calcular a distncia at o ponto medido, e atravs do ngulo vertical, ngulo horizontal e da distncia (ilust. 2.7), um ponto pode ser especificado em coordenada polar, e o software converte para coordenada retangular, ou seja, X, Y e Z. Os modelos atuais podem rastrear e reconhecer automaticamente o alvo.Ilustrao 2.5: Refletores e alvos Ilustrao 2.6: Medio com Estao Total

Fonte: Catlogo Leica TPS 5000 Electronic Precision Theodolites for Industrial Applications p.6 Ref. UI-300-0EN - IV.98

Ilustrao 2.7: Medio em coordenada polar

O procedimento de preparao, coleta de dados e anlise dos pontos medidos (nas coordenadas do objeto) com uma Estao Total feita da mesma forma que no Teodolito Standard, exceto o item 1 do procedimento, pois a Estao Total j orientada automaticamente no sistema de coordenadas local assim que ligada, e tambm utiliza como referncia para a distncia o comprimento de onda do raio infravermelho e no uma barra de escala.

Principais caractersticas tcnicas do Teodolito Total: - Desvio Padro (absoluto) de 1? = 1mm; - Preciso tpica na medio de distncia = ? 0.5 mm at 120 m; - Durao da medio = 3 seg.; - Pode trabalhar com somente um teodolito; - Tipos de refletores: Prismas, Refletores de canto cubico (? reflectivas; - Campo de medio = 200m com fitas e at 5km com prismas;Fonte: Catlogo Leica TPS 5000 Electronic Precision Theodolites for Industrial Applications Ref. UI-300-0EN - IV.98

25 mm) e fitas

2.1.1 Aplicaes aeroespaciais do Teodolito

2.1.1.1 Fabricao de dispositivos atravs de Virtual Mock up

Por ser uma mquina tridimensional extremamente porttil, verstil e precisa quando aplicado na medio de peas de grande porte, o teodolito tem aplicao em vrios setores da indstria.

Na indstria aeroespacial, um dos maiores desafios o de reduzir ou eliminar o nmero de Modelos Padres ou Mock-up (ilust. 2.8). O Modelo Padro como o nome diz, um modelo em tamanho real que representa com fidelidade as principais dimenses de uma pea a ser produzida, podendo atingir at 30 m de altura e 50 m de comprimento. Do Modelo Padro so produzidos, o modelo padro secundrio e o ferramental para produo, sendo que a produo e montagem de vrias peas simultaneamente s possvel com a fabricao de vrios modelos padres [MNCH & BAERTLEIN, 1993]. Os maiores problemas ocasionados pela utilizao de modelos padres, podem ser classificados da seguinte forma:

Tempo : - Longo tempo para fabricao de um ferramental; - Fabricao sucessiva ao invs de simultnea de fixaes e ferramental;

Preciso: - Altas tolerncias exigidas na fabricao dos Modelos Padres; - Propagao de erro durante a fabricao;

Manuteno: - Verificaes freqentes da estabilidade dos Modelos Padres; - Alteraes fsicas em caso de mudana dos Modelos Padres;

Armazenagem: - Ocupa uma grande rea de armazenagem; - Devem ser armazenados durante 20 ou 30 anos; - Gerao de servios adicionais que geram despesas;

Estes custos podem chegar a 1/3 (um tero) do custo total empregado em um lanamento de uma nova aeronave ou seja milhes de dlares [MNCH & BAERTLEIN, 1993].

Ilustrao 2.8: Fabricao de um Modelo Padro

Fonte: Pratice Report Leica - Gageless Tool Building with Computer-Aided Theodolites - p. 4 Ref. U1 267e IX.93

Com a utilizao de Teodolitos Monitorados por Computador CAT (Computer-Aided Theodolite) integrados a sistemas CAD, possvel uma reduo significativa do nmero de Modelos Padres, pois os ferramentais de produo passam a ser gerados diretamente dos dados retirados do modelo CAD, que passa a ser o modelo padro na construo do ferramental. Esse processo denominado Gageless Tooling ou Virtual Mock up. A utilizao de modelos CAD, garante que o ferramental sempre gerado de um Modelo Padro mais atualizado possvel. Na utilizao de modelos fsicos, estes devem ser retirados da produo para eventuais correes, o que causa uma grande perda de produo, ao passo que, modelos CAD podem ser alterados muito mais rapidamente e a um menor custo [MNCH & BAERTLEIN, 1993].

2.1.1.2 Controle dimensional de produtos

Alm da criao de ferramental atravs do uso de teodolitos, uma outra aplicao a medio ou controle de produtos. Uma grande vantagem da utilizao de teodolitos para a medio da fuselagem, posicionamento das turbinas (ilust. 2.9) ou ainda da posio e forma da asa (ilust. 2.10) durante a montagem do avio (ilut. 2.11), o fato que o componente no precisa estar orientado em uma certa posio antes de ser medido. Durante a medio do produto pode-se encontrar as seguintes aplicaes: 1. Determinao do perfil da juno da asa, objetivando anlises para posterior montagem; 2. Controle de pontos de referncia que definiro de 10 15 sistemas de coordenadas no avio; 3. Verificao das principais dimenses para controle geomtrico; 4. Medio de perfis; 5. Gerao de certificados de inspeo final para produtos ou peas. Devido a itens do avio serem fabricados em vrios lugares do mundo (por exemplo, o avio Airbus 321 construdo por 7 empresas em 6 pases), a gerao de certificados de conformidade passa a ser muito importante na montagem final do conjunto; 6. Localizao de um ponto de coordenadas extradas de um modelo CAD em uma superfcie real (BUILD); 7. Determinao das posies das dobradias relativas a estrutura das portas; 8. Verificao da estrutura de montagem dos motores ou turbinas, dentre outras coisas. [MNCH & BAERTLEIN, 1993].

Ilustrao 2.9: Localizao dos pontos de alinhamento da turbina do avio

Ilustrao 2.11: Foto de um avio durante a montagem final

Ilustrao 2.10: Perfis de controle das asas

Fonte: Catlogo Leica Mobile 3D metrology Measurably Better - p. 2 Ref.UI-241E VII.92

Fonte: Pratice Report Leica Dimensional Measuring Thechniques in the Automotive and Aircraft Industry - p. 4 - Ref. U1-273-0en III.94

2.1.1.3 Utilizao em departamentos de pesquisa e desenvolvimento (P&D)

Os teodolitos tambm so utilizados nos departamento de P&D, apesar de cada vez mais estar se tornando obsoleto nessas aplicaes. Pode-se classificar o uso do teodolito no departamento de P&D da seguintes forma [MNCH & BAERTLEIN, 1993]:

1. Localizao dos pontos de presso de ar no corpo do avio. Os pontos so utilizados para anlise de vazo de ar e possveis turbulncias; 2. Anlise de modelos em tnel de vento. Como o tempo de teste oneroso, so preparados equipamentos e alvos em posies estratgicas para medir pontos especficos j no sistema de coordenadas do objeto (ilust. 2.12); 3. Medio de contornos e perfis. Por exemplo, para a anlise de perfis de portas necessrio mais de 2000 pontos, o que pode ser medido em um dia de trabalho; 4. Checagem de peas macias e que no podem ser tocadas.Ilustrao 2.12: Medio de um modelo em tnel de vento

Fonte: Pratice Report Leica Dimensional Measuring Thechniques in the Automotive and Aircraft Industry - p.5 - Ref. U1-273-0en III.94

2.1.2 Aplicaes automotivas do Teodolito

Outra indstria que utiliza o teodolito em vrias aplicaes, a indstria automotiva. As aplicaes do teodolito na indstria automotiva so similares s da indstria aeroespacial, e com a utilizao do teodolito os fabricantes de automveis reduziram o tempo de produo e os custos, em aplicaes como as descritas a seguir [MNCH & BAERTLEIN, 1993], [HORCH et al, 1993]:

1. Verificao de peas independente de posies pr estabelecidas, o que torna desnecessrio a fabricao de fixaes pesadas, caras e que despendem de um longo tempo para a fabricao (ilust. 2.13); 2. Fabricao de ferramental direto de dados de CAD, eliminando assim modelos padres, evitando acmulo de erros e desperdcio de dinheiro (ilust. 2.14); 3. Posicionamento e alinhamento de vrios componentes da linha de produo, como por exemplo unidades de fabricao (tambm conhecidas como Geometry-Boxes, Jumbo, Robo-Gate ou Jigs), mesas e estruturas giratrias, suportes, posicionadores, guias, robs de solda e montagem; 4. Verificao do posicionamento dos Skid ( carrinhos utilizados para transportar o veculo durante o processo de fabricao), pois as referncias de montagem esto normalmente no Skid e no no produto a ser fabricado (ilust. 2.15); 5. Verificao peridica de fixaes e Jigs, de modo a se diminuir ao mximo o tempo de parada de produo por quebra; 6. Medies em tnel de vento; 7. Anlise do veculo aps crash-test; 8. Medio do produto acabado (ilust. 2.16), garantindo a intercambiabilidade entre as peas a serem montadas na fbrica e fora dela.

Ilustrao 2.13: Medio do perfil da porta

Ilustrao 2.14: Montagem de ferramental

Ilustrao 2.15: Medio do Skid

Ilustrao 2.16: Medio do produto

Fonte: Pratice Report Leica A mobile metrology unit for univelsal application Ref. U1-246-0en XI.93 - DPB

2.1.3 Outras aplicaes do Teodolito

Apesar das maiores aplicaes do teodolito se encontrarem nas industrias aeroespaciais e automotivas, aplicaes to complexas e avanadas so encontradas em outras industrias, como segue: a - Medio de vages de trem (ilust. 2.17), onde controlado todo o alinhamento e posicionamento dos componentes e do conjunto montado, isso muitas vezes no campo (ilust. 2.18) [Ahl et al, 1993].

Ilustrao 2.17: Medio da estrutura do trem

Ilustrao 2.18: Medio do trem no campo

Fonte: Catlogo Leica Mobile PCMSPlus Polar Coordinate Measurement System with precision total station Wild TC2002 - Ref.UI-250-OEN X.92

b - Medies de navios (ilust. 2.19), como a medio dos pontos de lay-out necessrios na construo, e a medio de subconjuntos, pode ser executada com rapidez e preciso. Alm disso, o controle e a correo de erros antes da montagem final de componentes fornece dados necessrios para a fabricao de blocos de ajuste, possibilitando um rpido ajuste final [MANNINEN & KAISTO, 1996], [Ref. 712 635en - VI.99], [Ref. U1-288-OEN-X.95].

Ilustrao 2.19: Medio da seo de um navio

Fonte: Pratice Report Leica TMS Off-line in the Shipbuilding Industry, Belgium Ref. U1 325 V.93

c - Monitoramento da deformao de torres de resfriamento (at 180m de altura) utilizadas em usinas nucleares (Ilust. 2.20) [SIGNORET,1991].

Ilustrao 2.20: Monitoramento da torre de resfriamento

Fonte: Pratice Report Leica Monitoring deformation of cooling towers, France Ref. U1 364e II.92

d - Medio de antenas parablicas durante a fabricao e montagem (ilust. 2.21).Ilustrao 2.21: Antena parablica montada com Teodolito

Fonte: Aplication Report Leica Worlds Largest Telescope assembled using Leica Total Station Ref. U1-382-OEN III.99

Alinhamento e posicionamento de mquinas (ilust. 2.22).Ilustrao 2.22: Verificao geomtrica de maquinas de usinagem

Fonte: Catlogo Leica Mobile 3D metrology Measurably Better - p. 2 Ref.UI-241E VII.92

e - Alinhamento de peas de grande porte (ilust 2.23).

Ilustrao 2.23: Posicionamento de pea em uma turbina gs

Fonte: Foto gentilmente cedida pela Leica Geosystems Inc.

2.2 Rastreador Interferomtrico Tridimensional

Com a utilizao do teodolito em aplicaes industriais, muitos problemas foram solucionados devido a sua preciso, longo alcance de medio e, principalmente, portabilidade. Por outro lado, em algumas aplicaes onde

necessrio uma coleta muito grande de pontos (ilust. 2.24) ou a medio dinmica de objetos, como calibrao de robs, controle de superfcies atravs de modelos matemticos (CAD) e em trabalhos de engenharia reversa, verificou-se que o teodolito no a melhor soluo, pois um sistema muito lento.Ilustrao 2.24: Figura ilustrando uma aplicao com milhares de pontos

Fonte: Catlogo Leica Axyz Integrated Indstrial Measuring System p. 11. Ref. 711090en VI.99

Algumas aplicaes como as mencionadas anteriormente e muitas outras, s foram solucionadas aps o surgimento de um equipamento denominado Rastreador interferomtrico tridimensional ou Laser Tracker. A tecnologia bsica do Laser Tracker foi desenvolvida por um pequeno grupo na NBS (National Bureau of Standards ) nos EUA, sendo patenteado em 1987. Os futuros desenvolvimentos dessa tecnologia foram continuados por uma pequena empresa denominada API ( Automated Precision Inc ), que em 1988 passou a procurar por uma empresa para uma parceria comercial e produtiva. Em 1989 Kern ? Co.Ltda. (atualmente Leica Geosystems) adquiriu essa tecnologia, lanando em 1990 na

Quality Show em Chicago um Laser Tracker totalmente redesenhado (ilust. 2.25) [Leica product information, Smart 10]. De um modo geral pode-se descrever o Laser Tracker como sendo uma mquina tridimensional porttil que utiliza um laser interferomtrico para medio de distncia, dois encoder (vertical e horizontal) de alta preciso para medio angular, combinado a um mecanismo direcionador e um sensor de posio (PSD) de alta resoluo, permitindo assim rastrear um refletor manual e medir seu posicionamento tridimensional no espao, enquanto este movimentado. Alm do laser interferomtrico, pode ser adicionado um laser para medio de distncia absoluta que possibilita a medio automtica de pontos [GREENWOOD, 1993]. O Laser Tracker executa suas medies em coordenadas polares (ilust. 2.26), ou seja, ngulo vertical, ngulo horizontal e distncia do centro de giro do cabeote at o centro do refletor, medindo at aproximadamente 1000 pontos por segundo. Um computador converte essa medio em coordenadas retangulares, comumente utilizada no campo [Ref. U1-294-OEN-VIII.97].

Ilustrao 2.25: Laser Tracker Designer atual

Ilustrao 2.26: Medies polares

Fonte: Catlogo Leica Smart 310 - 3D Laser Tracker - p. 6 Ref. UI-206e V.93

Como mencionado anteriormente, o Laser Tracker pode ter dois tipos de laseres, o interfermetro (IFM) e o laser para medio de distncia absoluta (ADM). As principais diferenas entre eles sero descritas a seguir. O IFM um sistema a laser de alta preciso utilizado para medio de deslocamento, introduzido como uma ferramenta para medio indstrial pela Hewlett Packard em 1970. Seu princpio de funcionamento baseia-se na gerao de uma interferncia flutuante (pulsos) gerada pelo retorno do laser e que varia proporcionalmente ao deslocamento do refletor. Cada pulso contado

eletronicamente significa o deslocamento de um comprimento de onda, e atravs dos nmeros de pulsos possvel calcular proporcionalmente o valor do deslocamento total. Quando se utiliza o IFM, no possvel medir ou determinar distncias absolutas de um ponto, mas sim distncias relativas a um ponto de partida, ou seja, as distncias medidas sero maiores ou menores que a distncia do ponto inicial. Esse ponto de partida conhecido como home point, sendo um deles em especial definido durante a fabricao do Laser Tracker e calibrado durante a montagem do equipamento. Esse home point ou ponto de partida se encontra montado ao cabeote do Laser Tracker e conhecido como bird bath ou ninho de passarinho. Apesar de existir um ponto de partida agregado ao equipamento, qualquer ponto pode ser especificado como um home point , desde que tenha sido medido a partir de um ponto inicial de coordenadas conhecidas com preciso. Caso o Laser Tracker possua somente o IFM, sempre que o feixe de laser interrompido, o Laser Tracker dever reiniciar sua medio a partir de um home point . Para medir vrios pontos estticos em um objeto com o IFM, o refletor dever ser levado manualmente at cada um dos pontos a ser medido, tomando cuidado para no

interromper o laser (ilust. 2.27) [GREENWOOD, 1993]. Quando o Laser Tracker possui alm do IFM o ADM e se deseja medir uma grande quantidade de pontos estticos, essa medio poder ser feita automaticamente utilizando o ADM. Ao contrrio do IFM, o ADM executa medies absolutas e no relativas a um ponto de partida. Portanto, para medir pontos estticos automaticamente com o ADM, deve-se colocar refletores nos pontos a serem medidos, medir no mnimo os trs primeiros pontos do objeto (cinco ideal) para que o computador referencie o Laser Tracker no sistema de coordenada da pea, em seguida deve-se informar as coordenadas aproximadas dos demais pontos a serem medidos e o Laser Tracker executar a medio automtica dos demais pontos. Esta aplicao muito utilizada na medio peridica de dispositivos ou em testes de R&R (Repetitividade e Reprodutibilidade) (Ilust. 2.28) [STONE et al]. Outra grande vantagem dos Laser Trackers com ADM, que se o feixe de laser interrompido durante a medio no necessrio retornar a um ponto de partida conhecido, basta somente colocar o refletor na frente do feixe de laser e mant-lo estabilizado por alguns segundos que o Laser Tracker calcula a nova posio do refletor utilizando o ADM em seguida o IFM ativado dando continuidade ao processo de medio.Ilustrao 2.27: Medio manual com o IFM Ilustrao 2.28: Medio automtica com o ADM

Fonte: Catlogo Leica Laser Tracker - Portable Coordinate Measuring Machine for small and large objects Ref. 713895en XI.99

O princpio de funcionamento do Laser Tracker ser descrito a seguir, sendo detalhado todo a caminho percorrido pelo laser durante a medio, e seus componentes (ilust. 2.29). O feixe sai do laser interferomtrico e passa por um divisor de raio unidirecional (beam splitter), em seguida atinge um espelho montado em um mecanismo direcionador que reflete o feixe no centro do refletor. Ao atingir o centro do refletor , o feixe de laser retorna em sentido contrrio sobrepondo-se ao feixe ida (desde que o refletor no se mova), e ao passar pelo divisor de raio parte do laser retorna ao interfermetro e parte desviada em direo ao PSD atingindo sua origem (ilust. 2.30). Quando o refletor movido, o feixe de laser no atinge mais o seu centro, fazendo com que o laser retorne paralelamente ao feixe de ida porm deslocado do centro, em seguida atinge novamente o espelho montado no mecanismo direcionador passando em seguida pelo divisor de raio (ilust. 2.31). No momento em que o laser passa novamente pelo divisor de raio, parte dele segue direto retornando ao interfermetro, e outra parte direcionada a 90 graus atingindo novamente o PSD, porm com um deslocamento do centro . O PSD determina o deslocamento do centro do refletor e em seguida converte esse deslocamento em sinal analgico que enviado aos motores (moto-amplificadores DC), que por sua vez orientam o espelho montado no mecanismo direcionador, fazendo com que o feixe de laser retorne ao centro do refletor. O deslocamento do centro calculado aproximadamente 3000 vezes por segundo, permitindo que o Laser Tracker persiga o refletor a uma velocidade altssima (> 6 m/s) garantindo assim que o ponto medido seja o centro do refletor [GREENWOOD, 1993]. Ao contrrio da IFM, o ADM s ativado no momento da medio e sua trajetria diferente do IFM como mostra a ilustrao.

Ilustrao 2.29: Trajetria do laser

Fonte: Catlogo Leica Laser Tracker - Portable Coordinate Measuring Machine for small and large objects Ref. 713895en XI.99 Ilustrao 2.30: Trajetria do laser

Ilustrao 2.31: Trajetria do laser

Caractersticas tcnicas do Laser Tracker: Laser Interferomtrico (IFM): - Princpio de funcionamento - Produto a laser classe 2 - Comprimento de onda - Dimetro do laser (1/e2) Mxima velocidade de rastreamento: - Angular - Na direo do laser Acelerao mxima: - Em todas as direes Campo de medio: - Horizontal - Vertical - Distncia Preciso: - Resoluo angular - Resoluo linear (distncia) - Repetitividade de uma coordenada - Preciso absoluta de uma coord.: .alvo esttico .alvo dinmico Capacidade mxima de medio interfermetro de raio nico 4.0 m/s > 6 m/s >2g 235 45 0 - 40 m 0.14 1.26? m 5 ppm (m/m) 10 ppm (m/m) 20 - 40 ppm (m/m) 1000 pontos/seg.

Laser para medio de distncia absoluta (ADM): - Principio de funcionamento - Produto a laser classe 1 - Comprimento de onda - Dimetro do laser - Resoluo - Preciso - Alcance Condies ambientais: - Temperatura de trabalho - Temperatura de armazenagem - Umidade relativa - Presso atmosfrica / elevao .operao .armazenagem luz polarizada modulada