Um rotor de giroscópio a rodar a 150 000 rpm no interior de um sistema de navegação inercial é um dos objetos fabricados mais precisamente equilibrados que existem. A essas velocidades de rotação, mesmo uma fração de miligrama de desequilíbrio gera forças que provocam desgaste das chumaceiras, vibração e, acima de tudo, deriva na informação de navegação que o giroscópio deve fornecer.
Nos sistemas de defesa que dependem da navegação inercial, como mísseis de cruzeiro, armas estratégicas, submarinos que operam sem GPS e veículos espaciais, a precisão do sistema de navegação é limitada pela qualidade do giroscópio. E a qualidade do giroscópio é limitada, em parte, pela precisão com que o seu rotor foi equilibrado durante o fabrico.
Porque é a equilibragem de giroscópios particularmente exigente
A equilibragem de rotores de giroscópio ocupa uma categoria própria no campo mais vasto da equilibragem dinâmica. Os requisitos são várias ordens de grandeza mais rigorosos do que os da equilibragem para propulsão aeroespacial, por diversas razões:
Velocidade de funcionamento. Os pequenos rotores de giroscópio podem funcionar a velocidades até 150 000 rpm. A essas velocidades, as forças centrífugas amplificam enormemente qualquer assimetria de massa. Um desequilíbrio de 1 mg num raio de 10 mm gera uma força centrífuga que aumenta com o quadrado da velocidade de rotação, o que significa que o mesmo desequilíbrio produz uma força 100 vezes maior a 10 000 rpm do que a 1000 rpm.
Unidades de tolerância: mg·mm. As tolerâncias de equilíbrio dos giroscópios são especificadas em mg·mm, o produto da massa de desequilíbrio pela sua distância ao eixo de rotação. Mesmo uma fração de miligrama no raio de correção provoca vibração mensurável, desgaste das chumaceiras e deriva de navegação. Para comparação, as tolerâncias de equilibragem de motores industriais são tipicamente especificadas em g·mm, o que é três ordens de grandeza menos exigente.
Vida útil dos rolamentos e deriva. Os rotores dos giroscópios funcionam sobre chumaceiras de precisão, como chumaceiras de gás, chumaceiras de joia ou suspensão magnética, concebidas para um atrito mínimo e uma estabilidade máxima. A vibração induzida pelo desequilíbrio acelera o desgaste das chumaceiras, o que, por sua vez, degrada a estabilidade de rotação do giroscópio, criando um erro cumulativo que se agrava ao longo da vida operacional do sistema.
Acoplamento com a precisão de navegação. A finalidade do giroscópio é detetar e medir a rotação. Qualquer vibração ou oscilação do rotor que não seja rotação verdadeira, como a precessão induzida pelo desequilíbrio, contamina o sinal de saída do giroscópio. Esta contaminação surge como instabilidade do bias e ruído de passeio aleatório angular na saída do sistema de navegação inercial, degradando diretamente a precisão de navegação.
Tipos de desequilíbrio em rotores de giroscópios
O desequilíbrio de um rotor de giroscópio assume as mesmas três formas de qualquer componente rotativo (estático, de binário e dinâmico), mas as consequências a velocidades giroscópicas são muito mais graves.
Desequilíbrio estático: O centro de massa está deslocado em relação ao eixo de rotação e o rotor fica «mais pesado de um lado». Isto cria um vetor de força rotativo à frequência de rotação, que sobrecarrega ciclicamente as chumaceiras.
Desequilíbrio de binário: o eixo principal de inércia está angularmente deslocado em relação ao eixo geométrico de rotação. A distribuição de massa do rotor é assimétrica ao longo do seu comprimento, criando forças iguais e opostas em cada chumaceira que produzem um momento de oscilação. O desequilíbrio de binário é particularmente insidioso nos giroscópios porque gera um binário no eixo de rotação que imita diretamente a rotação que o giroscópio foi concebido para medir.
Desequilíbrio dinâmico: A soma vetorial do desequilíbrio estático e do desequilíbrio de binário. É o caso geral dos rotores reais e exige medição e correção em dois planos.
O processo de equilibragem de rotores de giroscópios
A sequência de equilibragem de rotores de giroscópio segue os mesmos passos fundamentais de qualquer processo de equilibragem dinâmica, mas com equipamento e técnicas especializados, adequados ao regime de tolerâncias.
1. Medição de precisão
O rotor é montado numa máquina de equilibragem de precisão que, em princípio, é fundamentalmente semelhante a uma máquina de equilibragem de rodas, mas com uma precisão muito superior, em várias ordens de grandeza. O sistema de chumaceiras, os sensores de vibração e o processamento de sinal da máquina foram concebidos para resolver desequilíbrios na gama sub-mg·mm.
O rotor é posto a rodar a uma velocidade controlada (não necessariamente a velocidade operacional máxima; a velocidade de medição é escolhida de modo a proporcionar uma relação sinal-ruído adequada, mantendo-se dentro do volume de trabalho seguro da máquina). Os sensores de vibração detetam a assinatura do desequilíbrio em cada plano de correção, fornecendo a amplitude e a posição angular.
2. Correção de material
A correção é efetuada removendo ou acrescentando material em posições calculadas.
Métodos de remoção de material
- Microfuração: Furação controlada com precisão de pequenos orifícios na posição angular calculada, para remover a massa em excesso
- Microrretificação: Remoção de material à superfície, para correções que exigem uma remoção distribuída e não pontual
- Ablação a laser: o método de remoção mais preciso, capaz de retirar material em quantidades da ordem do micrograma em posições exatas. A ablação a laser é cada vez mais o método preferido para as tolerâncias mais apertadas porque não introduz tensão mecânica e pode ser controlada com extrema precisão
Métodos de adição de material
- Pesos de correção: Pequenos pesos de precisão fixados na posição angular calculada
- Resina epóxi: Doseada com precisão na posição de correção e curada no local. Útil quando a geometria do rotor não permite furar ou retificar na posição angular necessária
3. Verificação iterativa
O rotor corrigido é novamente posto a rodar e medido de novo. Como cada correção altera a distribuição de massa do rotor, o processo de correção é, por natureza, iterativo, o que significa que cada correção pode exigir uma rotação de verificação e, eventualmente, uma segunda correção para convergir dentro da tolerância.
Para as tolerâncias mais apertadas, podem ser necessárias três ou mais iterações de correção. O sistema de medição da máquina de equilibragem tem de ser suficientemente estável e repetível para que as leituras residuais após a correção reflitam o estado real do rotor, e não ruído de medição.
O lugar da equilibragem no processo de produção de giroscópios para defesa
A equilibragem mecânica é uma etapa de um processo com várias fases que leva um giroscópio da matéria-prima até um instrumento de navegação pronto para voo:
| Fase | O que acontece |
|---|---|
| Fabrico de componentes | Rotor maquinado com tolerâncias dimensionais rigorosas |
| Equilibragem mecânica | Desequilíbrio residual corrigido numa bancada de equilibragem de precisão |
| Montagem e rodagem | Sistema em funcionamento à temperatura de serviço para estabilizar as chumaceiras e os materiais |
| Calibração | Ensaios em mesa de taxa multieixo, ciclos térmicos e geração do modelo de erro |
| Recalibração em serviço | Alguns sistemas autocorrigem-se continuamente com recurso a medições de referência |
A equilibragem mecânica é o passo fundamental porque estabelece a qualidade física do rotor de que dependem toda a calibração e compensação posteriores. Um rotor mal equilibrado gera vibração e deriva que a calibração pode compensar parcialmente por software, mas que não consegue eliminar totalmente ao nível físico.
A abordagem da Cimat
Cimat, uma marca da Ascential Technologies, fabrica máquinas de equilibragem de precisão concebidas especificamente para o ambiente de fabrico de giroscópios para o setor da defesa, com uma resolução de medição na gama sub-mg·mm, orientação automática da correção, capacidade de verificação iterativa e rastreabilidade total dos dados de cada rotor equilibrado.
A combinação de precisão de medição, otimização da correção (minimizando a remoção de material e cumprindo a tolerância) e rastreabilidade da produção é o que faz da equilibragem de giroscópios para o setor da defesa uma disciplina especializada, e o que torna a máquina de equilibragem uma peça essencial da infraestrutura de fabrico para o setor da defesa.
