De maneira geral, a necessidade de aumentar o desempenho e diminuir o tamanho dos sistemas mecatrônicos tem levado a indústria moderna a idealizar e desenvolver sistemas de posicionamento com boas características de aceleração e precisão de posicionamento. Por outro lado, a crescente demanda de componentes com melhores características metrológicas e de acabamento, tais corno lentes para raio X e infra vermelho, tem exigido o desenvolvimento de variados tipos de sistemas de microposicionamento capazes de movimentar elementos de máquinas em distâncias muito pequenas com alto grau de exatidão, dentre os quais podem-se destacar os acionados por meio de atuadores piezoelétricos. Este trabalho propõe a utilização de um novo tipo de atuador baseado na propriedade de estricção eletromagnética de certas ligas metálicas (atuadores magnetoestritivos) associado a um sistema de controle digital que utiliza um algoritmo de controle baseado em lógica difusa e redes neurais artificiais para o controle de microposicionamento. Metodologias e princípios de projeto para engenharia de precisão são abordados de forma a auxiliar no desenvolvimento de dois protótipos de posicionadores para uso em usinagem de ultraprecisão. Resultados obtidos em testes experimentais apontam para urna melhoria no comportamento dinâmico dos microposicionadores acionados por atuadores magnetoestritivos. Isto permite sua utilização como alternativa válida no posicionamento submicrométrico. / In general, actual requirements such as high performance and small sizes of mechatronic systems, has led modern industry to design positioning systems with good characteristics of acceleration and positioning accuracy. The increasing demand of components with better metrological and finish characteristics, as X-ray and infra-red lens, has allowed the development of a number of types of micropositioning systems that are able to move machine elements to very small distances with high levels of accuracy. In this work it is proposed the use of a new type of actuator that applies the properties of electromagnetic strain of certain metallic alloys (magnetostrictive actuators). lt is also proposed the application of a digital control system that uses a control algorithm which is based on fuzzy logic and artificial neural networks for the micropositioning control. Design principles and methodologies related to precision engineering are discussed with the purpose of aiding the development of two prototypes of positioners for ultraprecision rnachining, experimental results show that micropositioner driven by magnetostrictive actuators have better dynamics behaviours. This allows the use of such actuators as an valid alternative for positioning in submicrometer range.

Este trabalho aborda o estudo e aplicação das ferramentas da metodologia TRIZ (Teoria da Resolução de Problemas Inventivos) aplicada na fase do projeto conceitual, no qual é desenvolvido um estudo de caso para escolha dos mancais, para cabeçotes de máquinas de corte do tipo \"Dicing Saw\". A metodologia TRIZ é direcionada para busca de idéias, através de uma abordagem sistemática da criatividade para a solução de problemas inventivos, consiste no reconhecimento da similaridade de um problema de projeto específico com um problema análogo, o qual tem uma solução conhecida no universo das patentes. É demonstrada a importância da capacidade de inovação como vantagem competitiva dentro do cenário atual, e como a TRIZ se apresenta como ferramenta sistêmica de suporte à criatividade inserida na fase de projeto conceitual, dentro do processo de desenvolvimento de produto. É desenvolvido um estudo de caso, no qual a TRIZ conduz à escolha sistemática de tipos de mancais apropriados, para eixos-árvore de alta velocidade para uma máquina denominada \"Dicing Saw\". O resultado da aplicação da TRIZ, dada as restrições operacionais foi a escolha de mancais aerostáticos porosos não-metálicos, os quais em conjunto com trabalhos na área de dinâmica de rotores foram manufaturados. A decisão pelo cabeçote com mancais aerostáticos porosos cerâmicos pode minimizar a influência de elevadas amplitudes de vibração durante usinagens sob alta rotação. Dessa forma, é possível concluir que, a metodologia TRIZ é uma ferramenta que permite a identificação de forma rápida e sistêmica os conceitos utilizados para solucionar problemas semelhantes direcionam a busca de soluções criativas para os problemas inventivos, intensifica a capacidade produtiva do engenheiro projetista, ampliando as alternativas, para encontrar melhores soluções, que podem resultar em um menor tempo, para lançamento de novos produtos, bem como melhorar desempenhos funcionais. / This work treats of study and application of the tools of methodology TRIZ (Theory of Inventive Problem Solving) applied to conceptual design where it is developed a case study to choice of pair of bearings more adequate for Dicing Saw machines. The TRIZ methodology leads the idea searches through systematic approach of creativity to solution of inventive problems where is recognized the common behavior of a specific problem with similar problem using patents database. It is demonstrated the importance of the innovation capacity as competitive advantage considering the current scenario and as the TRIZ technique acts as systematic tool to support for creativity and decision making during the conceptual design into product development process. So, it is developed a case study where the TRIZ lead the systematic selection of bearings for spindles of Dicing Saw machines or ultraprecision machines. The results of this study considering the operational constraints it was choice of aerostatic no-metallic porous bearings which were manufacturing to posterior study of dynamic behavior. The decision on spindle using ceramic aerostatic porous bearings can minimize the influence of high amplitudes of vibrations during the manufacturing on different operational ranges. Therefore it is possible to conclude that TRIZ is a technique or procedure that allows the fast and efficient identification of the physical and technical concepts to solution of the similar problems that directed creative alternatives when it is necessary new conceptual approaches, moreover to stimulate the productive capacity of the design engineer lead the search of the better solutions relating better functional solutions, less costs and small time to market.

<p> High-end optical grade applications would benefit greatly from the unique mechanical and chemical properties of titanium alloys. However, the standard process of manufacturing optical components has not been explored in depth for titanium alloys. </p> <p> Thus the focus of this work was to extend ultra precision machining technology to produce optical grade surfaces on titanium components. An optical surface is characterized by surface roughness less than 10nm R_rms which are typically produced with single crystal diamond tools having a cutting edge radius on the order of 50-100 nm. A cutting speed of 60m/min, feed rate of 1.5 µm/ rev and depth of cut of 2 µm, was identified to achieve the surface finish target, but the practical limitation of this process was still with tool life and the rapid degradation of surface finish over time. </p> <p> This was attributed to the adhesion of titanium material on the tool that resulted in material pull out and side-flow during machining. Results obtained from the characterization of the tool and workpiece led to the identification of graphitization as the initial wear mechanism. As the cutting edge rounds-off due to graphitization, the rate of adhesion of the workpiece material onto the tool increased. For this reason solutions were explored that would reduce the graphitization process and delay the onset of intense adhension. </p> <p> Thus a coating technology involving Perfluoro Polyether (PFPE) was chosen. Tribometer analysis under a load of 500N and temperature of 450ºC between the uncoated and PFPE coated diamond tools and titanium pins showed a remarkable reduction in COF from 0.275 to 0.05. A significant enhancement in tool life and surface quality was also achieved in single point diamond turning (SPDT) of titanium alloys using PFPE coated diamond tools. Tool life was based on an assessment of the cutting length achieved before the surface roughness exceeded the targeted value of 10 nm R_rms and it improved from 1.25 km and 5.1 km with PFPE coated tools. </p> / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

Trata do desenvolvimento de um controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) para uma Mesa Angular Rotativa (MAR) destinada à usinagem de ultraprecisão. O sistema de controle tem como objetivo efetuar posicionamento angular de alta resolução e repetibilidade antes e durante a usinagem de ultraprecisão, propiciando fabricar peças complexas através de torneamento. A MAR faz uso de elementos como mancais de flexão, atuadores piezelétricos, juntamente com o sistema de controle PID. A estratégia de controle é baseada na aquisição de dados na plataforma de desenvolvimento LabVIEW®, para gerar curvas tensão de saída do tesatronic versus deslocamento da MAR e no processamento dos sinais adquiridos ao longo do microposicionamento da MAR em tempo real para realimentação de posição. Constatou-se que o sistema suporta deslocamentos da MAR correspondendo a expansão do atuador piezelétrico de até 24 µm com freqüência de acionamento de até 3 Hz. O uso de filtro Chebyshev provocou atraso na resposta e forte instabilidade no sistema. Conclui-se que para a melhora do desempenho do sistema em termos de freqüência pode ser conseguida através do uso de filtro do tipo FIR (Finite Impulse Response). / A Micro Tilt Stage (MTS) was developed in the Precision Engineering Laboratory (University of São Paulo) to be used in commercial diamond turning machines. The MTS has the aim of positioning workpieces angularly with high resolution and repeatability before and during ultraprecision machining. The use of flexural bearings and piezoelectric actuators together with a PID control system provided improved dynamic performance. The control strategy is based on data acquisition using LabView to create standard curves and perform the correction of positioning errors. Experimental tests are performed with displacement of the (MTS), up to 24 µm, with frequency, up to 3 Hz. The use of a Chebyshev filter caused a delay and a strong instability in the system. In conclusion, in order to improve the performance of the system in terms of frequency, the use of a FIR filter (Finite Impulse Response) may be indicated.

De maneira geral, a necessidade de melhorar o desempenho e diminuir o tamanho de sistemas mecatrônicos tem levado a indústria moderna a desenvolver mecanismos de posicionamento com características excelentes de aceleração e precisão. O uso de posicionadores em equipamentos de precisão, em particular no posicionamento da ferramenta/peça na usinagem de ultraprecisão, deve-se à necessidade de se obter rígido controle do perfil a ser fabricado. Neste sentido, foi desenvolvido no Laboratório de Engenharia de Precisão da EESC-USP um microposicionador angular rotativo capaz de monitorar a posição da ferramenta em relação à peça durante o processo de usinagem e fazer as devidas compensações de erros, além da possibilidade de obtenção de geometrias diferenciadas. Neste trabalho encontram-se estudos referentes à aplicação do método dos elementos finitos com o intuito de verificar a funcionalidade do sistema mecânico proposto, avaliando suas características estáticas e dinâmicas. Além disso, propõe-se validar o uso de redes neurais artificiais como ferramenta capaz de auxiliar no desenvolvimento de um algoritmo de identificação de imagens, baseado no conhecimento, que emprega como elemento multi-sensor, imagens interferométricas, representando posições. Dentre as principais características a serem alcançadas pelo algoritmo idealizado está a habilidade de identificar a posição de uma superfície justaposta ao sistema microposicionador angular e, assim, permitir maior rapidez de processamento das informações, possibilitando seu emprego em sistemas de controle em tempo real. A aplicação desta técnica foi avaliada por meio de simulação e apresenta resultados significativos para incentivar pesquisas envolvendo imagens interferométricas. / In broad terms, to achieve high performance and miniturization of mechatronic systems it is necessary to develop positioning mechanisms with high response and precision. The use of positioning devices compatible with precision equipment, particularly in the positioning of a tool relative to a workpiece in ultraprecision machining, results from the need for absolute control of the dimensions of cut. A microtilt stage was developed in the Precision Engineering Laboratory of EESC-USP which is capable of monitoring the position of a diamond tool relative to a workpiece, in-process, permiting error compensation and the generation of complex forms. Finite Element Method is applied to perform a functional analysis (static and dynamic) of the mechanical parts. The use of artifitial neural networks as a tool to help the development of an algortithm for the identification of images is proposed. This algorithm is based on knowledge and employs interferograms as a multi-sensor element representing positions. One desired characteristic of the proposed algorithm is its ability to perform the identification of the position of a surface on the tilt stage and to permit fast processing of the information. This turns the device appropriate to be used in real time applications. This technique was assessed by simulation and presented significant results, encouraging further researches envolving interferometric pattern recognition.

Germanium is a brittle semi-metal, used for lenses and windows in Thermal Imaging Systems since it transmits infrared energy in the 2 &micro / m - 12 &micro / m wavelength range at peak. In this thesis study, polycrystalline diamond is used as cutting tool material to machine germanium. Diamond is the hardest, most abrasion-resistant material and polycrystalline diamond is produced by compacting small diamond particles under high pressure and temperature conditions, which results more homogeneous, improved strength and a durable material. However, slightly reduced hardness is obtained when compared with natural diamond. Different from finish cutting, rough cutting, performed before finishing, is used to remove most of the work-piece material. During rough cutting, surface roughness is still an important concern, since it affects the finishing operations. Roughness of the surface of product is affected by a number of factors such as cutting speed, depth of cut, feed rate as cutting parameters, and also rake angle as tool geometry parameter. In the thesis, the optimum cutting and tool geometry parameters are investigated by experimental studies for rough cutting of germanium with polycrystalline diamond tools. Single Point Diamond Turning Machine is used for rough cutting, and the roughness values of the optical surfaces are measured by White Light Interferometer. Experiments are designed by making use of &ldquo / Full Factorial&rdquo / and &ldquo / Box-Behnken&rdquo / design methods at different levels considering cutting parameters as cutting speed, depth of cut, feed rate and tool geometry parameter as rake angle.

De maneira geral, a necessidade de melhorar o desempenho e diminuir o tamanho de sistemas mecatrônicos tem levado a indústria moderna a desenvolver mecanismos de posicionamento com características excelentes de aceleração e precisão. O uso de posicionadores em equipamentos de precisão, em particular no posicionamento da ferramenta/peça na usinagem de ultraprecisão, deve-se à necessidade de se obter rígido controle do perfil a ser fabricado. Neste sentido, foi desenvolvido no Laboratório de Engenharia de Precisão da EESC-USP um microposicionador angular rotativo capaz de monitorar a posição da ferramenta em relação à peça durante o processo de usinagem e fazer as devidas compensações de erros, além da possibilidade de obtenção de geometrias diferenciadas. Neste trabalho encontram-se estudos referentes à aplicação do método dos elementos finitos com o intuito de verificar a funcionalidade do sistema mecânico proposto, avaliando suas características estáticas e dinâmicas. Além disso, propõe-se validar o uso de redes neurais artificiais como ferramenta capaz de auxiliar no desenvolvimento de um algoritmo de identificação de imagens, baseado no conhecimento, que emprega como elemento multi-sensor, imagens interferométricas, representando posições. Dentre as principais características a serem alcançadas pelo algoritmo idealizado está a habilidade de identificar a posição de uma superfície justaposta ao sistema microposicionador angular e, assim, permitir maior rapidez de processamento das informações, possibilitando seu emprego em sistemas de controle em tempo real. A aplicação desta técnica foi avaliada por meio de simulação e apresenta resultados significativos para incentivar pesquisas envolvendo imagens interferométricas. / In broad terms, to achieve high performance and miniturization of mechatronic systems it is necessary to develop positioning mechanisms with high response and precision. The use of positioning devices compatible with precision equipment, particularly in the positioning of a tool relative to a workpiece in ultraprecision machining, results from the need for absolute control of the dimensions of cut. A microtilt stage was developed in the Precision Engineering Laboratory of EESC-USP which is capable of monitoring the position of a diamond tool relative to a workpiece, in-process, permiting error compensation and the generation of complex forms. Finite Element Method is applied to perform a functional analysis (static and dynamic) of the mechanical parts. The use of artifitial neural networks as a tool to help the development of an algortithm for the identification of images is proposed. This algorithm is based on knowledge and employs interferograms as a multi-sensor element representing positions. One desired characteristic of the proposed algorithm is its ability to perform the identification of the position of a surface on the tilt stage and to permit fast processing of the information. This turns the device appropriate to be used in real time applications. This technique was assessed by simulation and presented significant results, encouraging further researches envolving interferometric pattern recognition.

Trata do desenvolvimento de um controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) para uma Mesa Angular Rotativa (MAR) destinada à usinagem de ultraprecisão. O sistema de controle tem como objetivo efetuar posicionamento angular de alta resolução e repetibilidade antes e durante a usinagem de ultraprecisão, propiciando fabricar peças complexas através de torneamento. A MAR faz uso de elementos como mancais de flexão, atuadores piezelétricos, juntamente com o sistema de controle PID. A estratégia de controle é baseada na aquisição de dados na plataforma de desenvolvimento LabVIEW®, para gerar curvas tensão de saída do tesatronic versus deslocamento da MAR e no processamento dos sinais adquiridos ao longo do microposicionamento da MAR em tempo real para realimentação de posição. Constatou-se que o sistema suporta deslocamentos da MAR correspondendo a expansão do atuador piezelétrico de até 24 µm com freqüência de acionamento de até 3 Hz. O uso de filtro Chebyshev provocou atraso na resposta e forte instabilidade no sistema. Conclui-se que para a melhora do desempenho do sistema em termos de freqüência pode ser conseguida através do uso de filtro do tipo FIR (Finite Impulse Response). / A Micro Tilt Stage (MTS) was developed in the Precision Engineering Laboratory (University of São Paulo) to be used in commercial diamond turning machines. The MTS has the aim of positioning workpieces angularly with high resolution and repeatability before and during ultraprecision machining. The use of flexural bearings and piezoelectric actuators together with a PID control system provided improved dynamic performance. The control strategy is based on data acquisition using LabView to create standard curves and perform the correction of positioning errors. Experimental tests are performed with displacement of the (MTS), up to 24 µm, with frequency, up to 3 Hz. The use of a Chebyshev filter caused a delay and a strong instability in the system. In conclusion, in order to improve the performance of the system in terms of frequency, the use of a FIR filter (Finite Impulse Response) may be indicated.

Neste trabalho, diferentes tipos de microestruturas foram geradas por torneamento com ferramenta de diamante de ponta única e microendentação para serem replicadas através da prensagem a quente. Testes foram realizados para ser avaliada a geração destas microestruturas por dois métodos distintos: microdeformação e microusinagem, planejados para observar a replicação gerada por marca de endentação Vickers (piramidal) e, remoção de material (torneamento com ferramenta de diamante de ponta única). Uma revisão no processo de manufatura aplicada para a replicação de microestruturas é apresentada. Os materiais usados como molde e réplica foram o cobre eletrolítico e o polimetilmetacrilato (PMMA), respectivamente. Inicialmente, a usinabilidade do cobre eletrolítico foi avaliada sob diferentes condições de corte, a fim de determinar parâmetros apropriados de torneamento para obter um fino revestimento de superfície final (rugosidade). Observou-se que para avanços (f) de 10 mícrons por revolução e profundidade de corte (ap) de 5 mícrons, a superfície apresentou um baixo valor de rugosidade, isto é, 2,81 nm para rugosidade média (Ra) e 13,4 nm para rugosidade teórica (Rt). Além disso, observou-se que a microestrutura do material mostrou-se de fundamental papel na rugosidade, por conta da recuperação elástica dos grãos devido a anisotropia da estrutura policristalina do cobre. As microestruturas geradas para a replicagem foram: a) lente esférica, b) perfil senoidal e sulcos concêntricos. Os resultados mostraram que é viável a reprodução, com boa conformidade das microestruturas, por meio de prensagem a quente. Observou-se que as bordas e as superfícies finas com rugosidade em torno de 10 nm rms foram bem replicadas. / In this work, different types of microstructures were generated by single point diamond turning and microindentation for will replicated through the hot embossing. Tests were carried to evaluate the generation these microstructures by two distinct methods: micro-deformation and micro-machining, planned to observe the replication of the mark generated by the Vickers indenter (Pyramidal) and the latter by material removal (single point diamond turning). A review on several manufacturing processes applied to replication of microfeatures, is presented. The materials used as mould and replication workpiece were electroless copper and polymethylmethacrylate (PMMA), respectively. Initially, the machinability of electroless copper was evaluated under different cutting conditions to determinate appropriate turning parameters to obtain very fine surface finish (roughness). It was observed that for f = 10 microns of revolution (feed rate) and ap = 5 microns (depth of cut), the surface presented the roughness’ lowest value, i.e., 2,81 nm to medium roughness (Ra) and 13,4 nm to theoretical roughness (Rt). Moreover, it was observed that the microstructure of the material plays a fundamental role on roughness, because of the elastic recovery of grains due to the anisotropy of the polycrystalline structure of copper. The microfeatures generated were the following: a) spherical lens, b) sinusoidal profile and concentrical grooves. The results showed that it is feasible to reproduce, with good agreement, the microfeatures by means of hot embossing. It was observed that thin edges and fine surfaces with roughness around 10 nm rms were well replicated.

Este trabalho apresenta o estudo da usinabilidade do carbeto de tungstênio utilizando ferramenta de ponta única de diamante em máquina-ferramenta de ultraprecisão, em função de suas características de dureza e potencial uso para a fabricação de micromoldes. O carbeto de tungstênio foi submetido a testes de usinagem para a determinação dos parâmetros e condições de corte para a obtenção do regime dúctil. Com base nos resultados experimentais, concluiu-se que, para os avanços da ordem de 1 micrômetro/revolução, a profundidade de corte (AP) não influencia significativamente no resultado de rugosidade, e para avanços da ordem de 3 micrômetros, observou-se a formação de trincas na superfície usinada. Além disso, para profundidades de corte maiores que 2 micrômetros as ferramentas começaram a apresentar lascamento. Para avanços da ordem de 3 micrômetro/revolução a profundidade de corte influencia com grande significância no resultado de rugosidade. O torneamento do carbeto de tungstênio usando ferramenta de diamante mostrou-se uma opção viável à produção de superfícies em termos de qualidade óptica, porém, devido à alta dureza deste material (aproximadamente 4000HV) o torneamento mostrou ser um processo com condições limitadas para a produção em série de componentes em função da baixa taxa de remoção de material permitida. É possível que a retificação possa apresentar taxas de remoção maiores, mesmo assim garantindo a qualidade superficial atingida pelo torneamento, ou ainda, a retificação possa ser usada como um processo no desbaste do carbeto de tungstênio seguido do torneamento de ultraprecisão como a opção viável a produção em série de peças. Portanto, para obtenção de uma superfície de carbeto de tungstênio sem danos e com acabamentos da ordem de 10 nm, a profundidade e avanço não devem ser superiores a 2,00 \'mü\'micrômetros e 1,00 \'mü\'micrômetro/revolução, respectivamente, usando uma ferramenta de diamante nova com ângulo de saída 0 ou - 25 graus e uma máquina-ferramenta de alta precisão. / The single point diamond turning of the Tungsten Carbide is presented. The motivation for this study is the material´s high hardness and potential application for micromolds. A Tungsten Carbide sample was subjected to tests for determination of cutting parameters to achieve the ductile regime of material removal. Based on experimental results it was concluded that for the feedrate of the order of 1 \'mü\'m/revolution, the depth of cut did not affect significantly the surface roughness and for federates of the order of 3 \'mü\'m/revolution, the dept of cut influenced results of roughness greatly. Moreover chipping of the cutting edge occurs for depths of cut of 2 \'mü\'m. The diamond machining of tungsten carbide tool using diamond proved to be a viable option for the production of surfaces in terms of optical quality, but due to the high hardness of this material (approximately 4000HV) showed to be limited for the production of components due to the low material removal rate. It is possible that the precision griding may provide higher material removal rates along with the acceptable surface quality. Therefore, to obtain a damage free surface in tungsten carbide with surface finishe in the order of 10 nm, cutting depth and feedrate should be smaller than 2,00 \'mü\'m and 1,00 \'mü\'m/revolution, respectively, using a new diamond tool with rake angle of 0 or - 25 degrees and precision high stiffness machine tool.