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Planificación de los procesos de mecanizado a partir de la extracción de la información de diseño mecánico

José Montecinos R. Departamento de Ingeniería Mecánica y Metalúrgica (P.Universidad Católica de Chile), Jorge Machacuay. Departamento de Ingeniería Mecánica (Universidad de Piura), Claudio Fantozzi Departamento de Ingeniería Mecánica, Nuclear y Producción (Universidad de Pisa), Massimo Granchi. Departamento de Ingeniería Mecánica, Nuclear y Producción (Universidad de Pisa),Luciano Chiang S.. Departamento de Ingeniería Mecánica y Metalúrgica (P.Universidad Católica de Chile)15/03/2004

Al adoptar una representación de la pieza mediante un conjunto de elementos característicos del modelo sólido 3D de CAD, se pueden establecer los planes de trabajo que corresponden a diferentes maneras de mecanizar la pieza. Para este propósito se han integrado las funciones de CAD y planificación de procesos CAPP en un solo ambiente de trabajo mediante el desarrollo de un software, con la finalidad de poder comparar los diferentes planes de fabricación de una pieza y facilitar la selección del más eficiente.

La planificación de procesos de una pieza mecánica consiste en la preparación de un plan que especifica las rutas de proceso, operaciones, máquinas herramientas, elementos de fijación y herramientas para fabricar la pieza. La preparación de estos planes es una tarea compleja porque requiere el manejo de una base de conocimientos formada por una gran cantidad de datos, reglas y ecuaciones, con el objeto de encontrar los planes más eficientes y/o económicos. El propósito de los sistemas CAPP es la preparación de los planes de fabricación mediante el computador basado en las especificaciones de diseño, de manera que optimice el costo de manufactura, el tiempo de fabricación, la producción o la calidad del componente. Por otra parte, el propósito de los sistemas CAD/CAM es la programación de la producción con base en la información geométrica de las piezas o conjuntos contenidos en las bases de datos de los sistemas CAD. Sin embargo, el énfasis de los sistemas CAM ha sido la programación de los equipos de fabricación, como por ejemplo, la programación de las trayectorias de corte en máquinas-herramienta. En la actualidad los esfuerzos se han centrado en automatizar la planificación de procesos, dado que se dispone de computadores y software más poderoso.

La aparición de los modeladores sólidos 3D hace más de una década ha permitido incorporar en los archivos de CAD información sobre las primitivas geométricas que describen el sólido. Con el objeto de representar los modelos sólidos se emplean ciertas estructuras de datos que emplean diferentes métodos, como CSG, B-Rep, etc El método CSG (Constructive Solid Geometry) emplea una estructura de base de datos en forma de árbol, en el cual los nodos hojas representan las primitivas usadas para construir el objeto, los nodos ramas representan las operaciones de tipo Booleana y el nodo de raíz representa el objeto sólido. Este esquema de representación se ha logrado aplicar, por ejemplo en [1], para generar un planificador de procesos, mediante simulación del corte en el proceso de fresado frontal o fresado lateral con el objeto de estimar las fuerzas de mecanizado con base en la geometría de inmersión de la herramienta cuando encuentra las primitivas individuales usadas para construir el sólido.

Sin embargo, existe un método más reciente de modelación que es más eficiente para incorporar no sólo información geométrica, sino también información de nivel más alto, que puede ser útil para la manufactura y que se denomina “feature-based design” o diseño en base a elementos característicos. La funcionalidad de un modelador sólido basado en elementos característicos de diseño “features” es bastante superior [2] a los sistemas tradicionales de modelación sólida basado en CSG o B-Rep, debido a que incorpora información de mayor nivel como topología, propiedades, etc., que aquella contenida en la estructura de datos geométricos de los sistemas tradicionales.

El enfoque de elementos característicos o “features” puede ser muy general porque su definición puede responder a las necesidades en cada área de aplicación. En diseño, estos elementos se usan para crear y especificar un modelo, mientras que en planificación de procesos se refieren a formas y atributos asociados a los procesos, por ejemplo, las operaciones correspondientes a objetos como: agujero, caja, ranura, etc., en mecanizado.

En este trabajo se propone emplear este enfoque de los elementos “features” al diseñar un objeto mecánico en un modelador sólido, con el objeto de desarrollar un plan de fabricación para una estación de trabajo y, específicamente en un centro de mecanizado.

Aplicación del método de diseño en base a elementos característicos para generar un plan de manufactura

Extracción de los elementos característicos de diseño

Con el fin de facilitar la explicación del procedimiento usado para generar los planes de fabricación se parte del siguiente ejemplo de la pieza mostrada en la figura 1.

Figura 1. Modelo sólido 3D de la pieza ejemplo

El “feature manager” del programa del modelador sólido presenta un árbol de los elementos o “features” creados en forma cronológica usados para construir la pieza mostrada en la figura. En este ejemplo, estos se encuentran en la 1ª columna de la Tabla 1.

Tabla 1. Elementos característicos de diseño y operaciones de fabricación

"Features" diseño	Plan de fabricación 1
	Número de operaciones	"features"	Referencia
Base extruir1	1 Fresado contorno desbaste exterior	Base extruir
Redondeo 1	2 Fresado contorno desbaste exterior	Saliente extruir 1	Plano base saliente*
Cortar extruir 1
Cortar extruir 2	3 Fresado contorno desbaste interior	Cortar extruir 1 Saliente extruir 1	Plano base vaciado int.
Cortar extruir 3
Saliente extruir 1	4 Fresado contorno acabado interior	Cortar extruir 1	Plano base
Saliente extruir 1 Angulo de salida		Saliente extruir 1	vaciado int.
	5 Fresado contorno acabado exterior	Base extruir 1 Angulo de salida	Plano base vaciado int.
	6 Rasgo pasante	Cortar extruir 2
	7 Perforado simple ciego	Cortar extruir 3

*notar que el elemento saliente sobresale sobre el plano superior del modelo

Los elementos característicos de diseño o “features” del modelador sólido no corresponden necesariamente a las operaciones de fabricación requeridas para definir un plan de fabricación, puesto que los primeros no consideran la información del orden en que se harían las operaciones de manufactura. Además, las operaciones de mecanizado al ser sólo de tipo sustractivo, o sea, de eliminación de material, no incluyen las de tipo aditivo que sería el caso del “feature” extruir saliente del modelador sólido, el cual se creó antes del último elemento: “ángulo de salida”. En consecuencia sería conveniente construir una tabla de correspondencia, que es la que se propone en la Tabla 1.

En la Tabla 1, se propone un plan de operaciones para fabricar la pieza en un centro de mecanizado. Desde luego que este no sería el único plan, puesto que se podrían generar otros planes diferentes mediante otras operaciones posibles. Lo importante en este caso es que la información necesaria para desarrollar cada operación se puede extraer desde los elementos o “features” de diseño del modelo, los cuales se vuelven a indicar en la penúltima columna de la Tabla. En la columna contigua a la columna de operaciones aparecen aquellos elementos o “features” que aportan la información necesaria para planificar una operación en particular y en la última columna se indica el elemento de referencia desde el cual se construyó el “feature” de diseño..

La diferencia entre una operación de desbaste y una de acabado reside en que probablemente habría un cambio de herramienta y condiciones de corte y, además, en las primeras se mecaniza considerando una sobre medida de material respecto de las cotas de la pieza, en cambio las segundas consideran la pieza con las cotas finales.

Construcción de un plan de fabricación

Como se ha visto en el ejemplo, los elementos de diseño se pueden obtener a partir del árbol de “features” creado en forma cronológica asociado al modelo de CAD del modelador sólido. Las operaciones necesarias para mecanizar una pieza se pueden considerar como elementos característicos de manufactura “manufacturing features” [2], los cuales permiten representar el modelo desde otra perspectiva. Un “feature” de manufactura corresponde a una operación de manufactura realizada en una etapa mediante una herramienta dada. En consecuencia, el paso siguiente sería generar un árbol de elementos de este tipo, el cual se construiría mediante un proceso de reconocimiento de elementos (“features”) de manufactura en la pieza, para el cual se han desarrollado algoritmos, como los usados en [3] para piezas u objetos poliédricos. Por otra parte, el orden en el cual aparecerían los elementos de manufactura en dicho árbol podrían definir el orden de precedencia de las operaciones de fabricación. En el caso del ejemplo, un posible orden de precedencia de elementos o “feature” de manufactura correspondientes a la Tabla 1, se ha representado mediante el gráfico de tipo AND/OR de la Figura 2. En esta figura, las operaciones 4 y 5 pueden ser ejecutadas en cualquier orden así como las 6 y 7, mientras que las restantes se deben realizar en el orden indicado. El nodo D corresponde a un nodo mudo.

Figura 3. Relaciones de precedencia de los elementos de mecanizado de la figura 1

Las características de diseño o “features” del modelador sólido no corresponden necesariamente a los elementos de fabricación para generar un plan de fabricación. En el caso del sistema en estudio, los objetos mecanizables que tienen correspondencia con los elementos de diseño se limitan a los siguientes: agujero, ranura, caja rectangular, pero es necesario agregar otros que correspondan por ejemplo a fresado de contorno, y planeado. En cambio, los elementos de diseño “saliente extruir” no tienen correspondencia en mecanizado, puesto que implican una adición de material en lugar de sustracción de un volumen de material mediante mecanizado. Para considerar este caso en el plan de operaciones, habría que combinar la información de un elemento de este tipo con otros elementos de diseño, como se indica en la Tabla 1, lo cual se puede automatizar en el programa para efectos de extraer la información útil para el mecanizado. De esta manera, la información que se ha extraído para cada operación se puede convertir en volúmenes de material a mecanizar, información que podría ser útil para estimar los tiempos de trabajo.

Integración de CAD- CAPP

Con base en las ideas expuestas, se pretende integrar las funciones de CAD y planificación de procesos CAPP en un solo ambiente de diseño y de planificación. Esta integración se está haciendo principalmente dentro del software de diseño 3D mediante modelación sólida, empleando para ello el software SolidWorks 2001. El programa también utiliza una base de datos (MS Access) para almacenar la información relacionada con las herramientas de corte, datos de material, información relevante del centro de mecanizado empleado, con la posibilidad de expandirla en el futuro incluyendo la información de mayor nivel que complementa la descripción de los procesos de fabricación.

Para desarrollar el programa se empleó C++ mediante el cual se pueden llamar las funciones de interfase API de SolidWorks, que permiten tener acceso a la funcionalidad del software. Usando las funciones de las librerías se implementan los métodos o funciones para iniciar, terminar una aplicación, manejar eventos, etc. correspondientes a la aplicación construida como una dll. Esta se instala en el menú de SolidWorks después de agregarlo en la opción complementos “Add-in”, como se aprecia en la figura 4..

Dentro de este menú aparecen las opciones, una de las cuales despliega un cuadro con los elementos característicos “features” de diseño de la pieza, similar a la Tabla 1 del ejemplo, excepto que la columna de operaciones debe ser completada ya sea mediante un procedimiento de reconocimiento de “features” o sino manualmente como en este caso. De esta forma se puede, a modo de ensayo, preparar un plan de operaciones con la vista de la pieza, todo dentro del ambiente de diseño.

Se extrae la información relevante de los “feature” y aquella contenida en los elementos subyacentes o “subfeatures”, como por ejemplo los puntos que configuran los croquis o “sketch” con los métodos correspondientes del API. La finalidad es utilizarla para la generación de las trayectorias de herramienta y con ello producir el plan de fabricación.

Conclusión

En este trabajo se presenta un estudio sobre la aplicación del concepto de diseño basado en elementos característicos o “feature” que incorporan los sistemas actuales de modelación sólida 3D. El propósito ha sido desarrollar una interfase que tiene por finalidad producir la integración de CAD y CAPP en un ambiente de diseño, de manera de incorporar la actividad de planificación de la fabricación de una pieza mediante un centro de mecanizado. El enfoque propuesto se puede ampliar en el futuro con operaciones en diferentes máquinas, el cual podría ser ampliado con el problema de planificación a nivel de grupos de máquinas.

Referencias

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

[2] Nau, D.S., Herrmann,J.W., Regli,W.C., “Design classification and hybrid variant-generative process planning”, University of Maryland, 1997

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

[4] SolidWorks 2001API, Release Notes