8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

Transcripción

1 8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007 PLANIFICACION DEL PROCESO DE MECANIZADO DE PIEZAS A PARTIR DEL MODELADO SOLIDO BASADO EN COMPONENTES José Montecinos R.*, Jorge Machacuay A.*, Claudio Fantozzi º, Massimo Granchi º *Departamento de Ingeniería Mecánica y Metalúrgica, P. Universidad Católica de Chile, Avda. Vicuña Mackenna 4860, Santiago, Chile, jmonteci@ing.puc.cl * Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Piura, Perú, jmachac@ udep.edu.pe º Departamento de Ingeniería Mecánica, Nuclear y Producción, Universidad de Pisa, Vía Bonanno-Pisano 25/b, Pisa, Italia RESUMEN La mayoría de los sistemas de planificación de procesos de fabricación con el apoyo de la computadora, denominados sistemas CAPP, han sido diseñados con base en la suposición que cada pieza puede ser descrita mediante un conjunto de componentes predefinidos conocidos con el nombre de features. Este trabajo se centra en el desarrollo de un sistema de planificación de proceso de fabricación mediante operaciones de mecanizado en máquinas herramientas de piezas prismáticas. La metodología desarrollada puede ser aplicada a la planificación de otros procesos de fabricación que emplean otras tecnologías de fabricación pero, en general, estos sistemas deben considerar el problema de comunicar el modelo sólido del diseño de una pieza y el software para la planificación de los procesos. En este caso, esta transferencia de información se realiza a través de componentes (features), utilizando un modelador sólido basado en componentes. Este método permite generar un ordenamiento previo de los componentes al momento que el usuario modela la pieza y los datos de asignación de operaciones y herramientas. Toda la información de los componentes y la secuencia generada por el sistema quedan almacenados en un archivo de base de datos con el fin de continuar con otras etapas para la elaboración de un plan completo de manufactura. PALABRAS CLAVE: CAD, CAPP, modelación sólida. 528

2 INTRODUCCION La planificación de los procesos de fabricación de una pieza mediante mecanizado en máquinas herramientas incluye la preparación de un plan que describe las operaciones y su secuencia, incluye la selección de métodos de corte, selección de herramientas, fijaciones de la pieza y parámetros de mecanizado. Los resultados obtenidos con los desarrollos de sistemas de planificación de tipo generativo para piezas complejas no ha sido muy exitoso para obtener en forma automática planes completos, sin embargo, dicho enfoque es adecuado para crear al menos planes preliminares. En la actualidad la mayoría de los sistemas de diseño CAD han adoptado el diseño basado en componentes o features [1]. El presente trabajo se basa en el enfoque generativo, es decir, se genera un plan nuevo para cada pieza a fabricar, utilizando un modelador sólido basado en componentes. El enfoque usado en este trabajo consiste en crear componentes predefinidos junto con sus atributos antes de terminar el modelo en un modelador sólido, en lugar de usar el enfoque de postproceso basado en reconocimiento de componentes. Este método permite generar un ordenamiento previo de los componentes al momento que el usuario modela la pieza lo cual permite tener la relación de su precedencia. El modelador sólido le asigna automáticamente las relaciones padre e hijo, lo que permite generar un ordenamiento inicial topológico junto con definir restricciones geométricas. Aún cuando el sistema CAD determina componentes de tipo geométrico y, en general, componentes de diseño, estos no necesariamente determinan los componentes llamados de manufactura. El método usado en el módulo CAPP desarrollado consiste en asignar a cada componente de diseño un volumen a mecanizar mediante un proceso de mecanizado correspondiente. EL MODELADO SÓLIDO EN EL CAPP Una de las tendencias en los sistemas CAPP que se han desarrollado con el enfoque descrito basado en el el modelo de la pieza a partir del denominado diseño basado en componentes (Feature-Based Design FBD) es dar como entrada al sistema el modelo de la pieza, en lugar de derivar los componentes a partir de un modelo sólido, que es lo que realiza un sistema de reconocimiento de componentes (FR). Un sistema con diseño basado en componentes (FBD) crea el modelo de la pieza con los componentes durante el proceso de diseño [2] y es el enfoque utilizado en este trabajo. Para el sistema que se describe el usuario utiliza un complemento o Add-In que emplea el conjunto de herramientas SDK (Software Development Kit) que pone a disposición el software de SolidWorks sobre el cual se basa este sistema. EL SDK del software crea una plantilla ( wizard ) para la creación de un proyecto que maneje las funciones API (Automatic Programming Interface) del software. Las funciones API del modelador sólido pueden ser manejadas a través de un software de programación como el Visual Basic o el Visual C++. El software SolidWorks proporciona una extensa ayuda sobre su API en el menú Ayuda (API Help). El usuario deberá conocer el Diagrama de Objetos (Object Model Diagram) del software para poder invocar cada uno de los objetos y sus derivados. El objeto SldWorks es el objeto aplicación, es el objeto de nivel más alto en la jerarquía de objetos de SolidWorks. Todos los otros objetos se ubican debajo del objeto SldWorks y se puede acceder a ellos directa o indirectamente. Con esta base podrá crear el modelo sólido de la pieza utilizando opciones para la creación de componentes, dentro de los cuales se encuentran los componentes de mecanizado más conocidos: agujero (un agujero, un arreglo lineal de agujeros o un arreglo circular de agujeros); una ranura (una ranura, un arreglo lineal de ranuras o un arreglo circular de ranuras) y cajera (cajera rectangular o cajera circular). Dichos componentes de mecanizado se aprecian en la Fig. 1 y 2 y corresponden a los ciclos fijos (canned cycles) disponibles en la mayoría de centros de mecanizado verticales con control numérico computarizado (CNC). Fig. 1 Componentes definidos en el modelador sólido

3 Fig. 1 Componentes correspondientes de la figura anterior de fabricación Mediante el módulo CAPP se crean los componentes Hole, Slot y Pocket; estos componentes creados adquieren la categoría de componentes de diseño ya que son creados a través del software de modelado sólido basado en componentes. El modelador sólido le asigna automáticamente las relaciones padre e hijo y las restricciones geométricas que permitirán luego, mediante el programa creado, obtener un ordenamiento inicial: ordenamiento topológico. Fig. 3 Interfase gráfica para el componente agujero en el modelador sólido DESARROLLO DEL MODULO DE PLANIFICACION DE PROCESOS El módulo CAPP desarrollado realizará un ordenamiento de las operaciones de mecanizado a partir de un ordenamiento topológico (ninguna operación se puede ejecutar antes que su predecesora ) y, a continuación sobre un criterio de optimización con respecto al cambio de herramienta; es decir, que se ejecuten todas las operaciones que deben ejecutarse con una determinada herramienta respetando el ordenamiento topológico inicial. Esto minimizará la cantidad de cambios de herramientas que deban realizarse en el proceso. Esta es quizá la parte más importante del proceso de obtención del plan de mecanizado. Esta tarea la ejecutará el software automáticamente y utilizando un algoritmo que toma algunas características de los conocidos algoritmos de búsqueda en profundidad (depth-first search) y búsqueda a lo ancho (breadth-first search). En la Fig. 4 se aprecia las etapas que ejecuta el sistema CAPP desarrollado, el cual se inicia en el modelador sólido.

4 Fig. 4 Esquema del sistema CAPP desarrollado En la Fig. 5 se da un ejemplo correspondiente a una pieza prismática generada en el modelador sólido utilizando los componentes disponibles en el sistema de planificación desarrollado process planning. Esta pieza contiene los componentes agujero, cajeado o vaciado y ranura, con la opción elegida ranura circular. Fig. 5 Pieza prismática generada en el modelador sólido Internamente el módulo CAPP acumula la información de los diferentes componentes, tanto la información geométrica como la información topológica; es decir, las relaciones entre los diferentes componentes que se han utilizado para modelar la pieza. Esta información será luego utilizada para generar la planificación del proceso de fabricación de la pieza. Este proceso de generación del plan de fabricación se inicia con el comando Generar del menú Process Planning, según se ve en la Fig. 5. Para la asignación de herramientas se han considerado criterios de uso común en el mecanizado y recomendaciones dadas por fabricantes de herramientas Para la selección del diámetro de la herramienta se podría pensar en dos casos

5 extremos para una pieza formada por muchos componentes del mismo tipo. En el primer caso, se podría pensar mecanizar todos los componentes con una sola herramienta, la de menor diámetro; por otra parte, se podría pensar que cada feature necesita una herramienta diferente, lo que requeriría muchas herramientas, y muchos cambios de herramienta, con el consecuente aumento del tiempo de fabricación. Para determinar el diámetro de herramienta que se va a utilizar para mecanizar un determinado componente se tiene en cuenta la dimensión característica del componente, por ejemplo, el ancho de la ranura si se trata del componente Slot y la mayor de las dimensiones (largo o ancho) si se trata de un Pocket Rectangular. El criterio aplicado para la secuencia de operaciones considera minimizar el cambio de herramientas. Este se debe utilizar en todos los componentes disponibles para mecanizar, es decir, el programa debe recorrer todos los componentes de la pieza hasta encontrar un componente que tenga el mismo diámetro de herramienta asignado y considerarlo como siguiente componente a mecanizar, sin violar ninguna regla de precedencia de los componentes u orden topológico, es decir, ningún hijo puede ser mecanizado antes que su padre o predecesor. Por ejemplo, antes de mecanizar las ranuras curvas se debe mecanizar el vaciado o Pocket en la Fig. 5. Otra de las restricciones que debe tener en cuenta el algoritmo de ordenamiento es la de accesibilidad. La Tabla 1 muestra los datos que se registran en la base de datos, mientras la Fig. 6 ilustra el encabezamiento de tabla que entrega el ordenamiento que genera el algoritmo de búsqueda implementado. Tabla 1: Ejemplo de secuencia de creación de componentes Nombre componente ID del componente Orden de creación Nombre del archivo Material-Inicial PruebaAsigncHerr.sldprt Pock PruebaAsigncHerr.sldprt fe_id fe_nombre fe_herramienta NIVEL Orden Fig. 6 Encabezamiento de la tabla generada en la base de datos después del ordenamiento Los datos generados en el módulo CAPP permiten obtener finalmente una hoja de datos correspondiente al pln de fabricación. CONCLUSIONES Se presenta ha presentado el desarrollo de un sistema CAPP que considera los criterios usados para asignación de operaciones a cada componente, la selección de herramientas y que es capaz de implementar las restricciones de precedencia, con el fin de generar un plan preliminar de mecanizado de piezas prismáticas. Los datos de asignación de operaciones y herramientas y la secuencia generada quedan almacenados en un archivo de base de datos, lo que permite obtener en forma automática una hoja de datos correspondiente a un plan preliminar de fabricación de una pieza. Este plan podría continuar con una segunda etapa de selección concreta de máquinas y herramientas, mediante métodos adecuados de inteligencia artificial, a fin de generar un plan completo de manufactura. REFERENCIAS 1. LaCOURSE, D. E. (1995). Handbook of Solid Modelling. New York, EE.UU. : McGraw-Hill, Inc. 2. JIANG, B., LAU, H., CHAN, F.T.S. y JIANG, H. (1999). An Automatic process planning system for the quick generation of manufacturing process plans directly from CAD drawings. Journal of Materials Processing Technology, Vol. 87,