Aquest article ha estat escrit originalment en castellà. L'hem traduït automàticament per a la vostra comoditat. Tot i que hem fet esforços raonables per a aconseguir una traducció precisa, cap traducció automática és perfecta ni tampoc pretén substituir-ne una d'humana. El text original de l'article en castellà podeu veure'l a Planificación de los procesos de mecanizado a partir de la extracción de la información de diseño mecánico

Ver más artículos sobre: Màquines d'arrencada per a petites i grans sèries

Planificació dels processos de mecanitzat a partir de l'extracció de la informació de disseny mecànic

José Montecinos R. Departament d'Enginyeria Mecànica i Metal·lúrgica (P. Universitat Catòlica de Xile), Jorge Machacuay. Departament d'Enginyeria Mecànica (Universitat de Piura), Claudio Fantozzi Departament d'Enginyeria Mecànica, Nuclear i Producció (Universitat de Pisa), Massimo Granchi. Departament d'Enginyeria Mecànica, Nuclear i Producció (Universitat de Pisa), Luciano Chiang S.. Departament d'Enginyeria Mecànica i Metal·lúrgica (P. Universitat Catòlica de Xile)

15/03/2004

En adoptar una representació de la peça mitjançant un conjunt d'elements característics del model sòlid 3D de CAD, es poden establir els plans de treball que corresponen a diferents maneres de mecanitzar la peça. Per a aquest propòsit s'han integrat les funcions de CAD i planificació de processos Capp en un sol ambient de treball mitjançant el desenvolupament d'un programari, amb la finalitat de poder comparar els diferents plans de fabricació d'una peça i facilitar la selecció del més eficient.

La planificació de processos d'una peça mecànica consisteix en la preparació d'un pla que especifica les rutes de procés, operacions, màquines eines, elements de fixació i eines per fabricar la peça. La preparació d'aquests plans és una tasca complexa perquè requereix el maneig d'una base de coneixements formada per una gran quantitat de dades, regles i equacions, amb l'objecte de trobar els plans més eficients i/o econòmics. El propòsit dels sistemes CAPP és la preparació dels plans de fabricació mitjançant el computador basat en les especificacions de disseny, de manera que optimitzi el cost de manufactura, el temps de fabricació, la producció o la qualitat del component. D'altra banda, el propòsit dels sistemes CAD/CAM és la programació de la producció amb base en la informació geomètrica de les peces o conjunts continguts en les bases de dades dels sistemes CAD. No obstant això, l'èmfasi dels sistemes CAM ha estat la programació dels equips de fabricació, com per exemple, la programació de les trajectòries de tall en màquines-eina. En l'actualitat els esforços s'han centrat a automatitzar la planificació de processos, atès que es disposa de computadors i programari més poderós.

L'aparició dels modeladores sòlids 3D fa més d'una dècada ha permès incorporar en els arxius de CAD informació sobre les primitives geomètriques que descriuen el sòlid. Amb l'objecte de representar els models sòlids s'empren certes estructures de dades que empren diferents mètodes, com CSG, B-Rep, etc El mètode CSG (Constructive Solid Geometry) empra una estructura de base de dades en forma d'arbre, en el qual els nodes fulles representen les primitives usades per construir l'objecte, els nodes branques representen les operacions de tipus Booleana i el node d'arrel representa l'objecte sòlid. Aquest esquema de representació s'ha aconseguit aplicar, per exemple en [1], per generar un planificador de processos, mitjançant simulació del tall en el procés de fresat frontal o fresat lateral amb l'objecte d'estimar les forces de mecanitzat amb base en la geometria d'immersió de l'eina quan troba les primitives individuals usades per construir el sòlid.

No obstant això, existeix un mètode més recent de modelación que és més eficient per incorporar no només informació geomètrica, sinó també informació de nivell més alt, que pot ser útil per a la manufactura i que es denomina “feature-based design” o disseny sobre la base d'elements característics. La funcionalitat d'un modelador sòlid basat en elements característics de disseny “features” és bastant superior [2] als sistemes tradicionals de modelación sòlida basat en CSG o B-Rep, a causa que incorpora informació de major nivell com a topologia, propietats, etc., que aquella continguda en l'estructura de dades geomètriques dels sistemes tradicionals.

L'enfocament d'elements característics o “features” pot ser molt general perquè la seva definició pot respondre a les necessitats a cada àrea d'aplicació. En disseny, aquests elements s'usen per crear i especificar un model, mentre que en planificació de processos es refereixen a formes i atributs associats als processos, per exemple, les operacions corresponents a objectes com: forat, caixa, ranura, etc., en mecanitzat.

En aquest treball es proposa emprar aquest enfocament dels elements “features” en dissenyar un objecte mecànic en un modelador sòlid, amb l'objecte de desenvolupar un pla de fabricació per a una estació de treball i, específicament en un centre de mecanitzat.

Aplicació del mètode de disseny en base a elements característics per a generar un pla de manufactura

Extracció dels elements característics de disseny

Per tal de facilitar l'explicació del procediment utilitzat per generar els plans de fabricació es parteix del següent exemple de la peça mostrada a la figura 1.

Figura 1. Model sòlid 3D de la peça exemple

El “feature manager” del programa del modelador sòlid presenta un arbre dels elements o “features” creats en forma cronològica usats per construir la peça mostrada en la figura. En aquest exemple, aquests es troben en la 1ª columna de la Taula 1.

Taula 1. Elements característics de disseny i operacions de fabricació

*notar que l'element sortint sobresurt sobre el plànol superior del modelo

El "feature manager" del programa del modelador sòlid presenta un arbre dels elements o "features" creats en forma cronològica usats per construir la peça mostrada a la figura. En aquest exemple, aquests es troben a la 1a columna de la Taula 1.

Els elements característics de disseny o "features" de l'modelador sòlid no corresponen necessàriament a les operacions de fabricació requerides per definir un pla de fabricació, ja que els primers no consideren la informació de l'ordre en que es farien les operacions de manufactura. A més, les operacions de mecanitzat en ser només de tipus substractiu, és a dir, d'eliminació de material, no inclouen les de tipus additiu que seria el cas del "feature" extruir sortint del modelador sòlid, el qual es va crear abans de l'últim element: "angle de sortida". En conseqüència seria convenient construir una taula de correspondència, que és la que es proposa a la Taula 1.

A la Taula 1, es proposa un pla d'operacions per a fabricar la peça en un centre de mecanitzat. Per descomptat que aquest no seria l'únic pla, ja que es podrien generar altres plans diferents mitjançant altres operacions possibles. L'important en aquest cas és que la informació necessària per desenvolupar cada operació es pot extreure des dels elements o "features" de disseny del model, els quals es tornen a indicar a la penúltima columna de la Taula. A la columna contigua a la columna d'operacions apareixen aquells elements o "features" que aporten la informació necessària per planificar una operació en particular i en l'última columna s'indica l'element de referència des del qual es va construir el "feature" de disseny..

La diferència entre una operació de desbast i una d'acabat és que probablement hi hauria un canvi d'eina i condicions de tall i, a més, en les primeres es mecanitza considerant una sobre mesura de material respecte de les cotes de la peça, en canvi les segones consideren la peça amb les cotes finals.

Construcció d'un pla de fabricació

Com s'ha vist en l'exemple, els elements de disseny es poden obtenir a partir de l'arbre de "features" creat en forma cronològica associat al model de CAD del modelador sòlid. Les operacions necessàries per mecanitzar una peça es poden considerar com elements característics de manufactura "manufacturing features" [2], els quals permeten representar el model des d'una altra perspectiva. Un "feature" de manufactura correspon a una operació de manufactura realitzada en una etapa mitjançant una eina donada. En conseqüència, el pas següent seria generar un arbre d'elements d'aquest tipus, el qual es construiria mitjançant un procés de reconeixement d'elements ("features") de manufactura en la peça, per al qual s'han desenvolupat algorismes, com els usats en [3] per a peces o objectes polièdrics. D'altra banda, l'ordre en el qual apareixerien els elements de manufactura en aquest arbre podrien definir l'ordre de precedència de les operacions de fabricació. En el cas de l'exemple, un possible ordre de precedència d'elements o "feature" de manufactura corresponents a la Taula 1, s'ha representat mitjançant el gràfic de tipus AND / OR de la Figura 2. En aquesta figura, les operacions 4 i 5 poden ser executades en qualsevol ordre i les 6 i 7, mentre que les restants s'han de realitzar en l'ordre indicat. El node D correspon a un node mut.

Figura 3. Relacions de precedència dels elements de mecanitzat de la figura 1

Les característiques de disseny o "features" de l'modelador sòlid no corresponen necessàriament als elements de fabricació per a generar un pla de fabricació. En el cas del sistema en estudi, els objectes mecanitzables que tenen correspondència amb els elements de disseny es limiten als següents: forat, ranura, caixa rectangular, però cal afegir altres que corresponguin per exemple a fresat de contorn, i planejat. En canvi, els elements de disseny "sortint extruir" no tenen correspondència en mecanitzat, ja que impliquen una addició de material en lloc de sostracció d'un volum de material mitjançant mecanitzat. Per considerar aquest cas en el pla d'operacions, hauria de combinar la informació d'un element d'aquest tipus amb altres elements de disseny, com s'indica a la Taula 1, la qual cosa es pot automatitzar al programa per a efectes d'extreure la informació útil per a la mecanització. D'aquesta manera, la informació que s'ha extret per a cada operació es pot convertir en volums de material a mecanitzar, informació que podria ser útil per estimar els temps de treball.

Integració de CAD-Capp

Amb base en les idees exposades, es pretén integrar les funcions de CAD i planificació de processos Capp en un sol ambient de disseny i de planificació. Aquesta integració s'està fent principalment dins del programa de disseny 3D mitjançant modelació sòlida, emprant per a això el programari SolidWorks 2001. El programa també utilitza una base de dades (MS Access) per emmagatzemar la informació relacionada amb les eines de tall, dades de material, informació rellevant del centre de mecanitzat empleat, amb la possibilitat d'expandir en el futur incloent la informació de major nivell que complementa la descripció dels processos de fabricació.

Per desenvolupar el programa es va emprar C + + mitjançant el qual es poden dir les funcions d'interfase API de SolidWorks, que permeten tenir accés a la funcionalitat del programari. Usant les funcions de les llibreries s'implementen els mètodes o funcions per iniciar, acabar una aplicació, manejar esdeveniments, etc. corresponents a l'aplicació construïda com una dll. Aquesta s'instal al menú de SolidWorks després d'afegir a l'opció complements "Add-in", com s'aprecia a la figura 4..

Dins d'aquest menú apareixen les opcions, una de les quals desplega un quadre amb els elements característics "features" de disseny de la peça, similar a la Taula 1 de l'exemple, excepte que la columna d'operacions ha de ser completada ja sigui mitjançant un procediment de reconeixement de "features" o sinó manualment com en aquest cas. D'aquesta manera es pot, a manera d'assaig, preparar un pla d'operacions amb la vista de la peça, tot dins l'ambient de disseny.

S'extreu la informació rellevant dels "feature" i aquella continguda en els elements subjacents o "subfeatures", com per exemple els punts que configuren els croquis o "sketch" amb els mètodes corresponents de l'API. La finalitat és utilitzar-la per la generació de les trajectòries d'eina i amb això produir el pla de fabricació.

Conclusió

En aquest treball es presenta un estudi sobre l'aplicació del concepte de disseny basat en elements característics o "feature" que incorporen els sistemes actuals de modelació sòlida 3D. El propòsit ha estat desenvolupar una fase que té com a finalitat produir la integració de CAD i Capp en un ambient de disseny, de manera d'incorporar l'activitat de planificació de la fabricació d'una peça mitjançant un centre de mecanitzat. L'enfocament proposat es pot ampliar en el futur amb operacions en diferents màquines, el qual podria ser ampliat amb el problema de planificació a nivell de grups de màquines.

Referències

[1] Cho, H., "A formal approach to integrating computer aided process planning and shop floor control", ASME, J. Eng for Industry, Vol116, febrer. 1994, p.108-116.

[2] Nau, DS, Herrmann, JW, Regli, WC, "Design classification and hybrid variant-Generative process planning", University of Maryland, 1997

[3] R. Tuttle, G. Little, J. Corney, DER Clark, "Feature recognition for NC part programming", Dep of Mechanical Engineering, Heriot-Watt Univ, Edinburgh, UK 1997, (disp. en línia)

[4] SolidWorks 2001API, Release Notes