Implantação de Módulos Automáticos de Planejamento de Operações em. Sistemas CAPP. 1 Introdução

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1 I SBAI - UNESP - Rio Claro/SP - Brasil Implantação de Módulos Automáticos de Planejamento de Operações em Solange Rezende Rodrigues! Universidade de São Paulo / ILTC Sistemas CAPP Instituto de Ciências Matemáticas de São Carlos Departamento de Ciências de Computação e Estatística CP CEP São Carlos-SP solangetuicmsc.usp.ansp.br Maria Carolina Monard 2 Universidade de São Paulo / ILTC Instituto de Ciências Matemáticas de São Carlos Departamento de Ciências de Computação e Estatística C.P CEP São Carlos - SP monardtuicmsc.usp.ansp.br Henrique Rozenfeld! Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de São Carlos Departamento de Engenharia Mecânica CP CEP São Carlos-SP rozenfeltubruspsce.bitnet Resumo o Planejamento do Processo Assistido por Computador trabalha com todo o processo de tomada de decisões envolvidas nas especificações do processamento de uma peça para um ambiente de manufatura específica. Normalmente, as funções de planejamento são estruturadas em dois níveis, planejamento macro e planejamento de operações. Neste trabalho é discutida a implantação de Módulos de Planejamento de Operações Baseados em Conhecimento em sistemas de Planejamento do Processo Assistido por Computador. O Planejamento de Operações é baseado no método generativo automático. É também mostrada a localização desses módulos dentro de um ambiente de Planejamento do Processo desenvolvido na EESC- USP. Palavras Chaves: Planejamento Automático, Planejamento de Operações, Projeto Apoiado em Features. 1 Introdução O Planejamento do Processo é a atividade de manufatura que descreve e especifica a sequência de operações de fabricação de uma peça, desde a matéria prima a ser utilizada até seu estado final. O plano de processo contém, como aspectos gerais, a sequência de operações para a produção de uma peça, o ferramental e dispositivos necessários, quais os equipamentos que devem ser utilizados, tempos padrão para as operações e preparação de máquinas. No caso da utilização de máquinas comando numérico (CN ou CNC), o programa CN também faz parte do plano de processo.!trabalho realizado com auxílio da FAPESP 2Trabalho realizado com auxílio do CNPq e FAPESP

2 [ SBAI - UNESP - Rio Claro/SP - Brasil Atualmente, esse planejamento é realizado de uma forma convencional e não sistemática, :ausando um aumento no custo de fabricação de uma peça por falta de especificações pre : isas. Além disso, o planejamento convencional não é suficientemente veloz para corrigir um plano de processos segundo as necessidades da prática. A preparação de orçamentos de fabricação de peças é fundamental para garantir a competividade de uma empresa e depende do planejamento do processo. Por estar localizado entre as funções de projeto e fabricação, o planejamento do processo é o elo essencial na integração da manufatura. Ele transforma as especificações de produto em informações de processo, com os tempos e locais de trabalho para o planejamento da produção e instruções aos operadores do chão-de-fabrica. Com o advento de aplicativos computacionais para apoiar o projeto - ComputeI' Aided Design (CAD) - e planejamento da produção - MRP, SFC,... - o planejamento do processo torna-se o gargalo na tentativa de se implantar a Manufatura Integrada por Computador - ComputeI' Integrated Manufacturing (CIM). Todos esses fatores, bem como o crescente desenvolvimento de frentes de pesquisa nas áreas de Manufatura Integrada por Computador, Sistemas Flexíveis de Manufatura, Modelagem de Sólidos, Engenharia de Software, Inteligência Artificial e Redes de Computadores, entre outros, fazem com que se procure implantar o Planejamento do Processo Assistido por Computador (CAPP - ComputeI' Aided Process Planning) visando um aumento da produtividade de suas atividades. O CAPP deve incorporar os novos desenvolvimentos computacionais existentes, os quais possibilitam aplicações anteriormente inviáveis como, por exemplo, a geração automática de um plano de processo ou planos de operações. O plano de operaração se refere ao detalhamento de uma operação de fabricação. N a geração de um plano de processo, utilizam-se informações geométricas provenientes do projeto, bem como especificações tecnológicas - i.e. tolerâncias, acabamento superficial, propriedade dos materiais, etc. Para o planejamento automático é necessário solucionar alguns problemas relacionados com interfaceamento entre sistemas CAD e CAPI>. Com este objetivo foi desenvolvido na EESC-USP um sistema de Projeto Orientado à Manufatura que proporciona uma integração automática entre os sistemas de CAD e CAPP. Por outro lado, o método de planejamento de processo interativo não deve ser abandonado, a fim ele garantir a flexibilidade do sistema durante o planejamento. Assim, é necessário viabilizar a integração dos diferentes métodos de planejamento em um único sistema para que o processista - usuário do sistema - decida qual usar dependendo de suas necessidades. O objetivo deste trabalho é discutir a implantação de módulos automáticos de planejamento de operações, utilizando técnicas de Inteligência Artificial, nos diferentes métodos de planejamento. O trabalho está organizado da seguinte forma: na seção 2 são apresentados os conceitos básicos, métodos, classificação e estruturação das funções do planejamento de processo. Na seção 3 é apresentado um Ambiente de Planejamento do Processo, baseado em um editor tecnológico, em torno do qual podem ser executados diversos módulos para realizar planejamento variante e generativo. Uma solução - que será integrada nesse Ambiente - é apresentada na seção 4, para o planejamento de operações usando o método generativo automático. Finalmente na seção 5 são apresentadas as conclusões pertinentes

3 I SBAI ~ UNESP - Rio Claro/SP - Brasil 2 O Planejamento do Processo Assistido por Computador o Planejamento do Processo Assistido por Computador trabalha com todo o processo de tomada de decisões envolvido nas especificações do processamento de uma peça para um ambiente de manufatura específico [1]. Estas tomadas de decisões incluem: interpretação do modelo do produto; seleção e sequenciamento de operações de usinagem; detalhamento de operações; seleção de máquinas; seleção de ferramentas; cálculo de condições de usinagem; geração de programas CN, entre outros. Normalmente, as funções de planejamento do processo são estruturadas en dois níveis - Figura 1: planejamento macro; planejamento das operações. Figura 1: Estruturação das Funções do Planejamento do Processo o planejamento macro engloba aquelas funções que produzem informações suficientes para o sequenciamento das operações de fabricação da peça. Mas são as informações resultantes do planejamento das operações que são enviadas ao chão-de-fábrica (produção). Basicamente, a classificação mais usual de sistemas de Planejamento de Processo Assistido por Computador utiliza os seguintes métodos para o planejamento - Figura 2. planejamento variante;

4 I SBAI - UNESP - Rio Claro/SP - Brasil /... peça A recuperar plano I~I I I~I~I plano = === == = = base modificar plano = == == = para = === == = peça A 1=1 I 1=1=1 plano VARIANTE GENERATIV peça A analisar desenho formu~ario [[]] yazlo elaborar plano Figura 2: Definição Básica dos Métodos de Planejamento do Processo planejamento generativo. o planejamento variante utiliza o computador para armazenar os planos de um grupo de componentes semelhantes por meio de procedimentos e tabelas. Nesse método o processista tem como base um plano padrão ou plano semelhante, já existente. Ao recuperar um plano que serve como base a tarefa desejada, o processista edita esse plano para criar o plano variante que satisfaça os requisitos específicos do componente que está sendo planejado. O planejamento generativo, entretanto, é baseado na criação de um novo plano sem referência a nenhum plano já realizado. No método generativo, parte-se da representação da peça e através de inferências automáticas ou interativas especifica-se um novo plano de processo. O planejamento generativo pode ser dividido em generativo interativo e automático, de acordo com o tipo de inferência realizada. No caso de planejamento generativo interativo, a representação da peça pode ser um desenho tradicional e, com auxílio de um editor que acessa informações padronizadas de manufatura, o processista edita o plano de processo interativamente. Deve ser observado que os sistemas generativos existentes são, normalmente, desenvolvidos para resolver casos específicos de planejamento [12,6,9]. Um sistema ideal de Planejamento do Processo seria um sistema híbrido, combinando os dois métodos de planejamento descritos. Dependendo do grau de automação desejado para as funções de planejamento e do tipo de peça, existem domínios - Figura 3 - onde é viável a construção de Sistemas Baseados em Conhecimento para o planejamento automático. Entre esses domínios encontra-se o planejamento de operações. Neste caso, o domínio é restrito ao planejamento de uma operação,

5 I SBAI : UNESP - Rio Claro/SP - Brasil considerando os possíveis recursos para realizar essa operação. Quando for necessário o planejamento de uma operação, o SBC correspondente a essa operação deve ser ativado. Esse SBC, utilizando as informações referentes aos recursos realmente disponíveis para fabricar a peça da qual essa operação faz parte, deve encontrar um plano apropriado para a operação. Desta forma, é possível obter um alto grau de automação. pecas slmilarers baseado features plano processo planej. operaçoes CAPPE (envlromenl) familias peça funçoes espec. Is lo I P I an o pro cesso Figura 3: Domínios de Conhecimento para Automação do Planejamento do Processo Considerando este fato, neste trabalho será dado ênfase ao desenvolvimento de Sistemas Baseados em Conhecimento para o planejamento de operações e à implantação desses módulos em um sistema CAPP generativo interativo. 3 O Sistema CAPP Environment Foi desenvolvido na Escola de Engenharia da USP-São Carlos um sistema de planejamento do processo assistido por computador baseado em um editor tecnológico denominado CAPPE - Computer Aided Process Planning Environment [llj. Em torno desse ambiente desenvolvem-se diversos módulos. Uma vez que um sistema CAPP deve ser específico para cada empresa, esses módulos diferem nos problemas tratados e nas soluções fornecidas, de maneira a atender às necessidades específicas dessas empresas

6 [ SBAI - UNESP - Rio Clam/SP - Brasil o CAPPE é um ambiente que permite a utilização dos métodos de planejamento variante e/ou generativo conforme as particularidades de cada empresa. No planejamento generativo do CAPP Environment, o processista pode gerar interativamente o plano de processo ou o sistema gera o plano automaticamente para domínios específicos, como mencionado an teriormen te. No caso do planejamento generativo interativo criou-se, para cada função do planejamento do processo, protótipos específicos para cálculo de tempo de fabricação; escolha de ferramentas baseado em um gerenciador de ferramentas; montagem de máquinas específicas; cálculo de condições de usinagem; desenho de croqui; obtenção de operações de inspeção, etc. A filosofia básica das soluções propostas no desenvolvimento dos módulos que integram o CAPPE é que o par computador-homem devem trabalhar conjuntamente. Entretanto, é possível incrementar o nível de automação de alguns dos módulos implementados no ambiente CAPPE [10]. A solução utilizada para incrementar o nível de automação de alguns desses módulos é através do uso de técnicas de Inteligência Artificial. A meta é que esses módulos específicos forneçam ao processista funções adicionais de planejamento que sejam executadas de forma automática ou semi automática. Como mencionado anteriormente o objetivo deste trabalho é a implementação de Módulos Baseados em Conhecimento para realizar, especifi camente, o planejamento automático de operações. 4 Módulos Automáticos de Planejamento de Operaçoes A tecnologia de Sistemas Baseados em Conhecimento tem separado, tanto física quanto logi camente, o conhecimento do domínio do software que usa esse conhecimento para o raciocínio. A arquitetura básica de um SBC é mostrada na Figura 4. Ela é constituida de um Shell que contém os mecanismos de inferência e controle - raciocínio - bem como facilidades de explicação do raciocínio, de editores da Base de Conhecimento e interface com o usuarlo. A Base de Conhecimento - BC - contém informações sobre como fazer o planejamento de operações, considerando as informações do produto desejado, enquanto que a Base de Oados 3 - BO - contém informações estáticas referente a disponibilidades de máquinas, ferramentas, etc. O gargalo principal na construção deste tipo de sistemas está na aquisição, estruturação e representação do conhecimento. No caso específico de planejaniento automático é necessário, além de usar uma metodologia para aquisição de conhecimento, reconhecer os atributos envolvidos no planejamento de operações, as funções a serem planejadas, capacidades e limitações das máquinas e ferramentas, etc. A metodologia para à aquisição de conhecimento que foi utilizada é baseada em métodos de elicitação de conheciment04 como as diversas técnicas de entrevistas, análises de casos, análise de protocolo e repertório "grid" entre outras [2,7]. Como já mencionado, para o planejamento automático é necessário solucionar o problema 3Deve ser observado que a BD pode ser considerada como parte da BC. Entretanto a BC é qualitativamente diferente da BD. 40 modelo que usa técnicas para extrair o conhecimento de especialistas humanos é denominado Elicitação de Conhecimento

7 I SBAl - UNESP - Rio Claro/SP - Brasil... _--~'T77'TTn~ ~~~8~A~S~E~~D~E~~ ~~~ CONHECIUENT ~~~ i i :~~I ;oh "== ~ d~~q ~ Dlltt tih ' ~ Figura 4: Estrutura Básica dos SBC para Planejamento de Operações de interface CAD jcam a fim de permitir a integração com a manufatura. Este problema está sendo solucionado através de uma interface automática utilizando o modelo de projeto apoiado em "features"s. Já foi projetado um sistema, com as características acima, denominado Projeto Orientado à Manufatura para peças rotacionais. Este sistema, descrito em detalhes em [8], foi implementado para o domínio de eixos de redutores. Neste sistema, uma biblioteca de "features" foi definida para ser usada pelo projetista no desenho da peça. O sisten1a define características tecnológicas, geométrica:s e de produto que são passadas para a planejamento do processo - Figura 5. A interligação CADjCAPP é realizada através de um arquivo intermediário que contém as informações gerais da peça, bem como aspectos relacionados com a forma e parâmetros tecnológicos. A vantagem de usar este arquivo intermediário é a facilidade de interligação com qualquer sistema CAPP, inclusive com módulos que utilizam apenas informações referentes a "features" específicos para fazer o planejamento de operações. Com as informações referentes às "features" utilizando o sistema de Projeto Orientado à Manufatura, está sendo implementado um Sistema Baseado em Conhecimento que gera, para domínios específicos, neste caso eixos de redutores, uma sequência básica de operações de fabricação com as respectivas máquinas para a peça - planejamento macro. Entretanto, é interesante implementar SBC dedicados a fazer o planejamento de operações 5Features pode ser visto como regiões ou partes de uma peça que possuem algum significado para o processo de manufatura

8 I SBAI - UNESP - Rio Claro/SP - Brasil Parametros Geométricos Parametros Tecnológi -n 111 ~ 1)1 I I ~ l lj ~ vvv V- ARQUIVO Dados Gerais - Descrição - Projetista - Material - Tratamento - Data Termico Figura 5: Características Geométricas e Tecnológicas conforme os recursos disponíveis para fabricar a peça. Estes módulos automáticos de planejamento de operações - Figura 6 - podem ser integrados a sistemas CAPP nos vários métodos de planejamento. Em sistemas CAPP, que usam o método variante ou generativo interativo, os módulos automáticos são ativados pelo processita para fazer o planejamento de operações. Quando o planejamento é baseado no método generativo automático os módulos automáticos responsáveis pelo planejamento de uma operação podem ser ativados via um SBC Controlador. A Figura 6 mostra a localização dos Módulos Automáticos dentro do ambiente de planejamento do processo CAPPE. Atualmente, os SBC's estão sendo implementados utilizando a Shell Nexpert Object, que utiliza o paradigma de orientação a objetos e regras de produção para representar o conhecimento. Contudo, não se pode garantir que o planejamento automático gere sempre todas as informações necessárias ao chão-de-fábrica. Dessa forma, a edição do plano de processo pode ser complementada com as informações obtidas de outros módulos que estão atualmente sendo desenvolvidos (tais como sistema gerenciador de ferramentas, módulo para cálculo de tempos e outros) integrados no CAPPE. É importante lembrar que a contrução desses SBC's é viável para domínios específicos onde se deseja um elevado grau de automação

9 I SBAI ~ UNESP - Rio Claro/SP - Brasil -produçao Figura 6: Localização do SBC no CAPPE 5 Conclusões Neste trabalho foram discutidos diversos problemas de Planejamento do Processo Assistido por Computador e apresentado o ambiente CAPPE, em torno do qual desenvolvem-se diversos módulos para realizar planejamento. Dentro do método de planejamento generativo, para realizar a interface entre CADjCAPP foi implementado um sistema de Projeto Orientado à Manufatura cujo domínio de aplicação é, a princípio, peças rotacionais. Atualmente está sendo implementado um SBC que gera, para esse domínio de conhecimento, o plano macro. Em determinados casos é necessário refinar as informações de algumas operações, i.e. fazer o planejamento das operações, conforme os recuros disponíveis para a fabricação da peça em questão. Para o detalhamento de operações do plano macro, foi proposta a construção de SBC's responsáveis pelo planejamento de operações, que podem ser utilizados por sistemas CAPP em diversos domínios de peças. Consideramos que esta proposta contribui para a automação do planejamento do processo, uma vez que esse modelo proporciona uma integração gradativa e compatível com a realidade e necessidades da industria manufatureira nacional em termos de Planejamento do Processo Assistido por Computador

10 I SBAI - UNESP - Rio Claro/SP - Brasil Referências [1] Chang, T.C, Wysk, R.A. An Introductionto Auto,mated Process Planning Systems. Prentice-Hall, [2] Cooke, N.M., McDonald, J.E. The Application of Psychological ScalingTechniques to J(nowledge Elicitation for J(nowledge-Based Systems. International Journal of Man Machine Studies, Vol. 26, pp , [3] Van Houten, F.J.A.M. PART: A Compute7' Aided Process Planning System. Tese Aachen, [4] Kusiak, A. (Ed.) J(nowledge Based System in Manufacturing. Taylor and Francis, 'London, [5] Krause, Frank-Lothar et alli. Feature Based Approach for the Integration of Design and Process Planning Systems. In Preprints of the IFIP WG 5.2 Workshop on Geometric Modeling, New York, June [6] METCAPP: Computer-Aided Process Planning. Catálogo IAMS, Ohio:IAMS, [7] Moore, C.J., Miles, J.C. J(nowledge Elictitation Using more than one Expert to Cover the same Domain. Artificial Inteligence Review, pp , [8] Rodrigues, S.R.; Rozenfeld, H.; Monard, M.C. A Feature Based Design Interface for a CAPP Environment. Anales dei Primer Congreso International de Informatica, Computation y Teleinformatica, Informatica'93, Mendoza, Argentina, pp 33-42, Junho [9] Rozenfeld, H. Um Sistema CAPP Modular para Indústrias Pequenas e Médias. Máquinas e Metais, 25 (290): pp , [10] Rozenfeld, H., Rodrigues, S.R., Oliveira, J.F.G.. AI Based Methods Integrated into a CAPP Environment. In Proceedings of the Twenty-ninth International MATADOR Conference, The Macmillan Press Ltd, Manchester. pp ,1992. [11] Rozenfeld, H.; Kerry J1'., H.T.; Almeida, A. S.; Ribeiro, C.E.S. CAPP Environment as Nucleous for Specific CAPP Solutions. CIRP International Seminar on Manufacturing Systems, Copenhagem. pp , [12] SUPER CAPES: Computer Aided Process Planning and Estimation. Catálogo SD SCICO,