MODELO PARAMETRIZADO APLICADO EM PROJETO DE MÁQUINAS

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1 Faculdade de Tecnologia de Sorocaba DEPARTAMENTO DE PROJETOS MECÂNICOS MODELO PARAMETRIZADO APLICADO EM PROJETO DE MÁQUINAS RELATÓRIO FINAL DA INICIAÇÃO CIENTÍFICA Aluno: Ricardo Lorenzati Machado Orientador: Prof. MSc. Francisco de Assis Toti NAAP: Núcleo Avançado na Área de Projetos Curso Superior em Tecnologia Mecânica Modalidade: Projetos OUTUBRO DE 2010

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3 Sumário 1 Resumo Introdução Sistema CAD 3D Conceituação e Aplicação da Parametrização no Projeto de Engenharia Metodologia Conclusões Agradecimentos Referências Bibliográficas Anexo

4 LISTAS DE FIGURAS Figura 1 Desenho do conjunto mecânico de uma máquina no sistema CAD 2D... 3 Figura 2 - Desenho do conjunto mecânico de uma máquina no sistema CAD 3D... 4 Figura 3 Desenho do eixo escalonado e suas respectivas dimensões... 8 Figura 4 Sketch matriz (esboço 01) do eixo escalonado e suas respectivas dimensões... 8 Figura 5 Modelo 3D gerado a partir do Sketch matriz (esboço 01) do eixo escalonado... 8 Figura 6 Modelo 3D do eixo escalonado em projeção ortogonal e a tabela contendo as equações... 9 Figura 7 Desenho do Modelo 3D parametrizado do eixo Figura 8 Sketch matriz (esboço 01) do eixo escalonado com as dimensões alteradas Figura 9 Modelo 3D do eixo escalonado parametrizado com as dimensões alteradas LISTAS DE TABELAS Tabela 1 Descrição das dimensões e suas respectivas variáveis

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6 1 - RESUMO O desenvolvimento do projeto tem um início e fim definido e pode ser considerado como uma sequência de atividades, em que basicamente ocorre o processamento de informações sobre determinado produto a ser fabricado. Com o advento da modelagem geométrica - 3D, que apresenta vantagens inquestionáveis, quando bem utilizado nas atividades e apropriado ao tipo de projeto, como, por exemplo, na redução do tempo total de desenvolvimento do produto. Neste contexto, o processo de parametrização possibilita ganho de tempo durante as modificações de componentes mecânicos similares, com variações de tamanho, aplicados em projetos. Este relatório tem como finalidade apresentar metodologia aplicada na parametrização de um eixo com seções variáveis, em função das dificuldades de usar dimensões normalizadas, quando necessita de abruptas mudanças de secção. Para isso, foi construído no software SolidWorks o sketch matriz (esboço 2D), aplicando as restrições geométricas. Em seguida, foi analisada a sua geometria, relacionando as dimensões envolvidas entre si. Na seqüência, usou-se uma tabela, criando equações, relacionando cada dimensão e nomeando-a a uma variável, para fazer possíveis modificações. Observou-se que o tempo para a construção do modelo 3D com dimensões alteradas sofreu um decréscimo de aproximadamente 70%, em relação ao método convencional de modelagem, pois alterando algumas dimensões todo o desenho é alterado automaticamente. Desta maneira, é possível criar modelos diferentes a partir de um sketch matriz, reduzindo assim, o tempo de desenvolvimento do projeto ou re-projeto de um componente. No entanto, a falta de uma metodologia, por exemplo, na construção do sketch pode levar a geração de modelos inadequados, dificultando a realização das modificações e de possíveis reaproveitamentos. 1 1

7 2 - INTRODUÇÃO O termo Projeto pode ser considerado como a Intenção organizada de desenvolvimento de um produto, tendo um início e fim definido. Está fundamentado desde a síntese, análise e avaliação, podendo ser representado bi (2D) ou tridimensionalmente (3D), que depende de uma estrutura que engloba, dentre outros, criatividade, conhecimentos acadêmicos, informações técnicas (fabricantes e normas) e experiência anterior do projetista. Segundo Cheng et al. (2007), o processo do projeto pode ser dividido em quatro fases, : 1 a - Reconhecimento e definição do problema. 2 a - Geração e avaliação de soluções alternativas. 3 a - Comunicação da solução. 4 a - Desenvolvimento e fabricação do produto acabado. As atividades da 4ª fase começaram a ficar menos lentas com a introdução da computação gráfica, com o auxilio do computador na criação de sistemas gráficos. Para Toti et al. (2008), no Brasil, na década de 60 começaram as pesquisas acadêmicas sobre a computação gráfica (CG), na área de projetos, com o auxílio do computador na criação de sistemas gráficos, e no mundo surgiu o termo CAD do inglês Computer Aided Design (Projeto Auxiliado por Computador). Gradativamente na década de 70, as empresas e setores ligados à área começaram a sua utilização visando à produtividade, e na década de 80 já utilizavam a computação gráfica em diversas áreas de aplicação. Conseqüentemente emergiu nos anos 90 o sistema CAD 2D, onde o desenho é construído e manipulado em duas dimensões, sobre o sistema Mongeano de projeção (Vistas Ortográficas), sendo amplamente utilizado na 4ª fase do processo do projeto. No projeto de engenharia este sistema é utilizado para o estudo do arranjo físico do conjunto, que posteriormente são divididos em subconjuntos de uma máquina, pois nesta fase empregam-se grande número de elementos de máquinas normalizados, que vão ser montadas com componentes mecânicos, 2 2

8 dimensionados de acordo com a necessidade de seu posicionamento, fixação e funcionalidade. Também possibilita que o projetista tenha total controle sobre a alteração do arranjo físico do desenho nas vistas ortográficas, porém, exigindo muito da sua visualização tridimensional na escolha de soluções. Segundo Iyer & Mills (2006) o sistema CAD tem demonstrado claramente seu potencial no auxilio de projetos, relacionado desde a concepção, desenvolvimento e planejamento do processo de fabricação, dentre outras tarefas na engenharia. A figura 1 abaixo mostra o desenho de conjunto de uma máquina, construído no sistema 2D, no software AutoCad versão Figura 1. Desenho do conjunto mecânico de uma máquina no sistema CAD 2D. 3 Sistema CAD 3D Neste sistema o desenho é construído em três dimensões (3D), a partir de conjunto de primitivas geométricas (feature), onde primeiro é criado o sketch matriz (2D), seguido de comandos que permitem ao projetista definir e manipular uma geometria tridimensional. Esta geração de geometria é 3 3

9 conhecida como modelagem geométrica, sendo dinâmica, e pode-se mover ou girar o modelo ou um conjunto de modelos em qualquer plano ou ângulo de projeção desejado. Assim, facilitando a visualização e a sua compreensão, permitindo, por exemplo, verificar a sua funcionalidade, bem como, a análise de interferências quando montado com outros componentes. Em suma, pode-se citar que a grande vantagem do sistema CAD em 3D sobre o 2D, é que o projetista trabalha com a forma real do modelo, sem precisar interpretá-lo a partir da representação das vistas. A figura 2 mostra o desenho de conjunto de uma máquina, construído no sistema 3D, no software Pro/Engineer versão 3.0, Toti (2008). Figura 2 - Desenho do conjunto mecânico de uma máquina no sistema 3D. Entretanto, a desvantagem que pode ser citada é que o projetista é obrigado primeiramente a considerar simultaneamente as três dimensões de um modelo, que pode ser um componente de um subconjunto, pertencente ao conjunto mecânico de uma máquina. Quando se projeta somente um componente, ou um conjunto simples, esta desvantagem não é notada, mas quando se desenvolve um modelo ou um conjunto complexo, podem-se ter dificuldades de interpretação, principalmente quando começa a fase de 4 4

10 alteração do projeto. Uma das alternativas é dividir ao máximo possível o conjunto em subconjuntos e o componente em várias etapas de modelagem. Os três métodos mais utilizados de representação em 3D são: 1) wireframe (armação em arame), possibilita ligar linhas entre pontos nos espaços 3D, permitindo a criação de modelos espaciais e garantindo a consistência de vistas 2D derivadas e cotagem associada. Como exemplo, pode-se citar a representação de um paralelepípedo que é feita com 12 bordas. Porem, a modelagem wireframe tem limitações, quando existe a necessidade de incorporá-los em softwares de análise ou manufatura, já que não possuem nenhum tipo de informação relacionada a características físicas dos componentes reais associados ao modelo. 2) Superfície, modelagem de superfícies são entidades que têm somente informações sobre seus vértices, onde cada sólido é representado por seus limites, que consistem em superfícies planares, cilíndricas, cônicas, esféricas, é indicada quando o modelo possui curvas complexas ou superfícies livres, conforme destacado por ZEID (2005). Como exemplo, é a representação mais utilizada no projeto de automóveis, sobretudo na parte externa (capôs, portas, etc.), e na parte interna podemos destacar o painel. Quanto a sua limitação podemos citar que, conforme a complexidade da geometria, é possível criar modelos abertos, ou seja, quando possuem superfícies que não se interceptam, ocorrendo imperfeições de modelagem que irão atingir aplicações posteriores, por exemplo, obtenção de caminho de ferramentas utilizadas nos processos de usinagem em máquinas de Controle Numérico (CNC) e na integração dos sistemas CAD/CAM. 3) modelos sólidos, trabalham de forma similar, quanto à utilização de blocos para construir um sistema de sólido real. Em geral mantém dois tipos de informações que descrevem o modelo: geometria espacial e topologia. Isto significa que na medida em que o componente mecânico é criado, o sistema armazena tanto a forma final, bem como as formas primitivas. Para isso, este 5 5

11 sistema dispõe da árvore de trabalho, onde ficam registradas todas as etapas da modelagem, as quais podem ser alteradas, dependendo de como foram, planejadas. Outro fato relevante a comentar, é que a modelagem sólida permite que se crie a aplicação paramétrica, ou seja, é criado o modelo com dimensões variacionais. 4 - CONCEITUAÇÃO E APLICAÇÃO DA PARAMETRIZAÇÃO NO PROJETO DE ENGENHARIA A parametrização pode ser definida como a ação de determinar parâmetros de configuração de um determinado sistema, cujos valores determinam as características de acordo com sua necessidade. A modelagem sólida paramétrica permite que se crie modelo com dimensões variacionais, a partir de um sketch matriz (2D). As dimensões podem ser ligadas através de expressões matemáticas, permitindo à regeneração automática depois de alteradas as dimensões relacionadas. Para Peres et al. (2007) a parametrização é uma ferramenta poderosa e com grande difusão nas indústrias. Através da parametrização é possível diminuir os custos com técnicos e engenheiros. O tempo para confecção do projeto dos equipamentos parametrizados sofre um decréscimo de aproximadamente 60%, pois alterando algumas dimensões, todo o desenho será alterado automaticamente, sendo necessários alguns ajustes, como em legendas, indicações de cortes, indicações de solda e alguma mudança na posição das cotas. De acordo com Foggiatto (2007) a utilização de ferramentas computacionais para modelagem de peças (sistemas CAD) faz parte da realidade da maioria dos setores de desenvolvimento de produtos das empresas. Uma das vantagens na utilização de sistemas CAD 3D é que os modelos são paramétricos, o que possibilita ganho de tempo durante as 6 6

12 modificações do projeto. No entanto, um problema encontrado nessa área é a falta de uma metodologia durante a fase da modelagem, que, muitas vezes, leva a geração de modelos inadequados para utilização. Isto dificulta a realização das modificações e dos possíveis reaproveitamentos dos modelos. Para o planejamento da modelagem deve-se levar em consideração como o componente mecânico será fabricado, pois as suas dimensões e geometria determinam o seu processo. Baseado nisso, procurar inicialmente, desenhar o sketch matriz (2D) relacionando a geometria dos detalhes com as dimensões totais, quanto ao posicionamento e dimensional. De preferência, evitar diferentes detalhes em uma mesma etapa de modelagem. Quanto mais etapas tiverem na árvore de trabalho, maior será o controle das alterações dimensionais que irão ser parametrizadas. 5 - METODOLOGIA Neste trabalho foi realizada a parametrização de um eixo com seções variáveis, em função das dificuldades de usar dimensões normalizadas, quando necessita, por exemplo, de abruptas mudanças de seção. Estas mudanças são utilizadas geralmente para posicionamento de componentes mecânicos e ocasionam concentração de tensões, que são minimizadas, utilizando o raio de alívio de concentração de tensões (Ra). Seu processo de fabricação quase que na totalidade é por usinagem (remoção de cavaco). Cabe ressaltar que, o termo eixo usualmente se refere a um componente mecânico rotativo, relativamente longo de seção transversal circular que gira e transmite potência. Sobre ele estão montados elementos tais como rodas dentadas, polias, cames, rolamentos, entre outros. No caso de sua montagem com elementos normalizados, após devidamente dimensionado, considera-se a geometria desses elementos como parâmetros para as suas dimensões finais. Sendo assim, foi levando em consideração que o modelo geométrico do eixo escalonado construído deverá ter sua geometria controlada em função das dimensões das seções, lineares e raio de alívio de concentração de tensão, definidas conforme segue: 7 7

13 D = diâmetro do eixo da seção maior; d = diâmetro do eixo da seção menor ; Ra = raio de alívio de concentração de tensão; Dimensões lineares - comprimento da total do eixo - comprimento do eixo de seção maior - comprimento do eixo de seção menor A geometria dos chanfros nas pontas do eixo não será avaliada, em função de sua aplicação ser restrita ao auxílio na montagem de outros componentes. A figura 3 mostra o desenho projetivo do eixo escalonado e suas respectivas dimensões. Figura 3. Desenho do eixo escalonado e suas respectivas dimensões. Inicialmente foi construído no software SOLIDWORKS o sketch matriz (esboço 01) do eixo escalonado com os detalhes e as dimensões totais, conforme mostra a figura 4. Figura 4. Sketch matriz (esboço 01) do eixo escalonado e suas respectivas dimensões. 8 8

14 Em seguida, foi gerado o modelo 3D do eixo e posteriormente será construído o detalhe do chanfro, pois o mesmo deve ser modelado separadamente como feature e preferencialmente, na fase final da modelagem. A figura 5 mostra o Modelo 3D gerado a partir do Sketch matriz (esboço 01) do eixo escalonado. Figura 5. Modelo 3D gerado a partir do Sketch matriz (esboço 01) do eixo escalonado. Na sequência, é analisada a sua geometria, relacionando as dimensões envolvidas entre si. Isto é possível em função do sistema CAD 3D/2D, dentre outros, ser planejado para criar uma plataforma de variáveis associadas às feature, utilizadas na parametrização do modelo ou mais especificamente de um detalhe do modelo.. variáveis e as suas respectivas relações. A Tabela 1 mostra os nomes adotados para as Tabela 1. Descrição das dimensões e suas respectivas variáveis. Nome Variável Relação entre cada variável Comprimento total do eixo Comprimento do eixo de seção menor 120 Comprimento do eixo de seção maior 240 Diâmetro do eixo de seção maior 40 Diâmetro do eixo de seção menor D5; 30 Raio de alívio de concentração de tensão D6; 40/30 Na etapa seguinte é feita a associação do Sketch matriz com a tabela 1, identificando a relação entre as dimensões consideradas e as respectivas variáveis, utilizando a ferramenta equações do software SolidWorks.. A figura 6 9 9

15 mostra em projeção ortogonal o modelo 3D e a tabela, contendo as equações com suas respectivas dimensões e variáveis. Figura 6. Modelo 3D do eixo escalonado em projeção ortogonal e a tabela contendo as equações. Na tabela das equações da figura 6 se tem para cada Ra uma equação, mesmo apresentando o mesmo valor. Isto ocorreu, porque não foi utilizado o recurso da restrição geométrica, ou seja, não foi relacionado que um raio deve ser igual ao outro. Deve-se também, evitar a utilização de uma variável que já foi utilizada em equação anterior, para evitar múltiplas reconstruções, podendo ocasionar a perda dos parâmetros de parametrização do modelo A figura 7 mostra o eixo escalonado parametrizado e renderizado em perspectiva trimétrica

16 Figura 7. Desenho do Modelo 3D parametrizado do eixo. Após isso, é possível alterar os valores das dimensões no sketch matriz (esboço 01). Como exemplos foram alteradas as dimensões do diâmetro (D) de 40 para 55 mm, mantendo o valor de 30 mm para o diâmetro e o comprimento do eixo de seção menor em balanço de 120 para 80 mm, conforme mostra a figura 8. Figura 8. Sketch matriz (esboço 01) do eixo escalonado com as dimensões alteradas. Nota-se que o raio de alívio de concentração de tensão (Ra) automaticamente foi alterado de 1,333 para 1,833, em função da alteração do diâmetro da seção maior, pois quanto maior a diferença entre D/d, maior será a concentração de tensão, conseqüentemente maior terá que ser o raio de alívio. Com a alteração do comprimento do eixo de seção menor de 120 para 80 mm, automaticamente ocorreu à redução do comprimento do eixo de seção maior e 11 11

17 do comprimento total do eixo. A figura 9 mostra o eixo parametrizado com as dimensões alteradas. Figura 9. Modelo 3D do eixo escalonado parametrizado com as dimensões alteradas

18 6 - CONCLUSÕES A parametrização de sólidos de revolução pode ser feita a partir de um sketch matriz (2D) apresentando detalhes geométricos relacionados com as dimensões diametrais totais. Quanto às dimensões lineares serem relacionadas com as diametrais, deve-se evitar, pois se pode perder parâmetros para sua reutilização. A escolha da variável e a sua respectiva relação devem ser bem planejadas pelo projetista, a fim de evitar a utilização de uma variável que já foi utilizada em equação anterior, para evitar múltiplas reconstruções, podendo ocasionar a perda do modelo. Observou-se que o tempo para a construção do modelo 3D com dimensões alteradas sofreu um decréscimo de aproximadamente 70%, em relação ao método convencional de modelagem, pois alterando algumas dimensões todo o desenho é alterado automaticamente. A parametrização aplicada em projetos de máquinas, que envolvem conjuntos e subconjuntos de elementos mecânicos normalizados e não normalizados, tende a crescer cada vez mais, gerando o aumento de produtividade dos projetistas e consequentemente a diminuição do tempo do desenvolvimento na 3ª e 4ª fase do processo do projeto de máquinas. Cabe ressaltar que, o cronograma proposto com base trimestral do presente projeto foi cumprido conforme proposto e encontra-se no anexo. 7 - AGRADECIMENTOS - ao Prof. Francisco de Assis Toti pela orientação. - a equipe do Núcleo Avançado na Área de Projetos NAAP da Fatec-So

19 8 - REFERÊNCIAS Cheng, L.Y., Abe, C.V, Seabra, D. R., 2007, Um Tutorial de CAD 3D Focado nos Conceitos e nas Práticas do Projeto de Engenharia, GRÁFHICA, Curitiba, Brasil. Foggiatto, A. J., 2007, Recomendações para Modelagem em Sistemas CAD 3D. Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação, 4 a COBEF, Estância de São Pedro, Brasil. Iyer, R.G. e Mills, J.J., 2006, Design Intent in 2D CAD: Definition and survey. Computer-Aided Design & Applications, vol. 3, Nos. 1-4, pp Peres, P.M., Hayana, A.O.F. e Velasco, A.D.,2007, A Parametrização e a Engenharia, GRÁFHICA, Curitiba, Brasil. Speck, J.H., 2005, Proposta de Método para Facilitar a Mudança das Técnicas de Projetos: da Prancheta à Modelagem Sólida (CAD) para Empresas de Engenharia de Pequeno e Médio Porte. Tese de Doutorado; UFSC- Engenharia de Produção, Florianópolis, Brasil. Toti, F.A., Martins, I.M. e Silva, A.D., 2008, A Integração da Computação Gráfica no Ensino-Aprendizagem do Desenho Técnico, XXXVI Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia, São Paulo, Brasil

20 ANEXO O Período da pesquisa proposta: 04/03/2009 a 21/06/2010 Períodos com base trimestral. ATIVIDADES Março a Maio 2009 Junho a Ago Set. a Out Nov. a Jan Fev. a Abril 2010 Maio a Junho 2010 Revisão da bibliografia. OK OK Pesquisa de Campo. OK OK OK Desenvolvimento de estudos de casos nos laboratórios e de tutorial focado nos conceitos e projetos. OK OK OK Análise dos resultados. OK OK OK Relatório final OK 15 15

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