GERAÇÃO DE TRAJETÓRIAS DE USINAGEM PARA TORNEAMENTO DE DESBASTE E ACABAMENTO NUM SISTEMA BASEADO EM FEATURES

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1 GERAÇÃO DE TRAJETÓRIAS DE USINAGEM PARA TORNEAMENTO DE DESBASTE E ACABAMENTO NUM SISTEMA BASEADO EM FEATURES Nilson Luiz Maziero Universidade de Passo Fundo Engenharia Mecânica Campus B. São José - nlm@upf.tche.br Vagner do Nascimento Bolsista Fapergs Engenharia Mecânica Universidade de Passo Fundo. Resumo. O trabalho consiste na geração de trajetórias para torneamento, tendo como modelo a representação das peças a partir de features. A geração das trajetórias é feita automaticamente com a identificação das features que formam a peça. Com um plano de processos variante e o desenvolvimento de algoritmos, obtém-se as trajetórias de usinagem de acordo com as features e a localização das mesmas na peça. Para isso são descritas estratégias de usinagem de acordo com a disposição destas features e da operação a realizar (desbaste ou acabamento). Esta aplicação está restrita a usinagem de peças a partir de barras cilíndricas. Este trabalho está implementado em linguagem C/C++ sobre o AutoCAD R12. Palavras-chave: Features, Tool Path, CAPP, CAM, CNC. 1. INTRODUÇÃO Em muitas indústrias, boa parte das peças usinadas são obtidas de barras, e geralmente são peças simples, mas que de alguma forma deve ser feito o plano de processo e o programa CN para usinagem. A execução de um plano de processos e o programa CN, pressupõem que sejam feitos por alguém que tenha conhecimentos para tal atividade. Porém, profissionais destas áreas além de um custo elevado, são difíceis de serem encontrados. Surge o problema em que um profissional muito qualificado tem que realizar tarefas mais simples, resultando em desperdício. Com a utilização de sistemas automáticos baseados na tecnologia de features (FeatCAD-2D, Maziero, 1998), é possível desenvolver aplicativos computacionais que permitem efetuar tarefas de certa complexidade, pois o tipo de informação que pode ser agregada e a forma como são registradas, permitem a automação da geração de planos de processos bem como os programas CN. Assim, um usuário com menor qualificação pode executar tarefas de média complexidade liberando o profissional para as tarefas que realmente o exigem. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Maziero et al. (2000a) apresenta princípios de geração de trajetórias para programas NC a partir e uma peça representada por features. Os algoritmos permitem a geração de desbaste e acabamento

2 de uma peça que possui escalonamento num único sentido. Também pode identificar a existência de features chanfro, concordância e arredondamento. Maziero et al. (2000b) e Maziero (1998) apresentam a estrutura do sistema FeatCAD-2D, o qual permite a modelagem de informações tecnológicas e gráficas no formato de features. O FeatCAD- 2D possui internamente um sistema especialista que executa a verificação em tempo real das features instanciadas no sistema. Andrade et al. (2001), apresenta conceitos de uma interface CAD/CAPP/CAM para peças rotacionais. Também apresenta conceitos sobre geração de trajetórias e a metodologia para a determinação dos tempos de usinagem. Jung (1996) desenvolveu uma interface CAD/CAPP para peças rotacionais complexas, onde utiliza-se da interpretação de um arquivo IGES para fazer reconhecimento de features. Com a identificação das features ele consegue determinar as regiões de materiais a serem usinados. Para isso utiliza-se do processo de decomposição poligonal. Para Boogert (1996), um programa CN contém informações geométricas e tecnológicas. A trajetória de corte gerada deve retirar todo o material, o que deve ser determinado através do plano de processos. Ainda para Boogert (1996), a alta variedade de produtos e features num lote pequeno de manufatura requer muitos cálculos para a determinação da trajetória da ferramenta. Assim, as informações de usinagem devem ser geometricamente e tecnologicamente corretas para: - Evitar tempos de parada da máquina. - Ter um processo de usinagem sem contratempos, assim como quebra de ferramentas ou superfícies mal acabadas. - Realizar um ótimo processo de usinagem com relação ao tempo e o custo. 3. METODOLOGIA O trabalho é uma ampliação do software protótipo FeatCAD-2D (Maziero, 1998), que possui uma estrutura de dados que permite representar informações gráficas e tecnológica através de features. Para a geração do plano de processos e as trajetórias, a peça deve ser interpretada em função da sua forma para definir a melhor posição a ser utilizada para a usinagem. Com a posição da peça definida, determina-se um plano de processos (CAPP variante) a ser utilizado. Escolhida a posição, e o plano de processo, definem-se as trajetórias de usinagem, da qual dependem da forma de cada feature e de como elas estão dispostas na peça. Podendo resultar em trajetória pela direita ou pela esquerda da peça. Toda a pesquisa da estrutura de dados consiste sempre em identificar as features eixo, em seguida as features modificadoras (chanfro, arredondamento, concordância, etc.). Para a implementação destes conceitos no FeatCAD-2D, é utilizado como plataforma gráfica o AutoCAD R12 for windows, com programação no ambiente ADS, utilizando-se do compilador Borland C/C IMPLEMENTAÇÃO Inicialmente a peça é modelada através do software protótipo FeatCAD-2D com a utilização de features, pré-definidas (feature based) (Maziero, 1998 e Maziero 2000b). A estrutura de dados utilizada é baseada em features, onde um conjunto tem subconjuntos, estes por sua vez são compostos por peças. Cada peça é compostas por features eixos e furos, que podem ser alteradas através de features modificadoras como: chanfro, arredondamento, concordância, rosca, ranhura, etc. Estas definições são armazenadas em listas duplamente ligadas, seguindo a ordem descrita acima.

3 4.1. Posição da Peça para Usinagem Para a usinagem, é importante determinar a posição mais conveniente da peça. Para o processo de torneamento é feita preferencialmente da direita para a esquerda. Logo, a peça deve ser posicionada de modo que os diâmetros crescentes sejam da direita para a esquerda. O sistema pesquisa a estrutura de dados da peça, da direita para a esquerda, identificando os diâmetros das features eixo da peça. Se há uma feature eixo de diâmetro maior que a anterior, a variável POSIÇÃO é acrescida de uma unidade positiva. Se ocorre o contrário, uma unidade negativa é acrescentada. Se o resultado final é positivo, a peça fica na mesma posição. Se negativo, a peça deve ser invertida. Isto determina que o sentido crescente predominante na peça é o escolhido (figura 1). Mesmo com a peça posicionada com a maioria dos diâmetros crescentes da direita para a esquerda, a usinagem vai envolver o movimento da esquerda para a direita em algumas peças. Com a peça posicionada, é utilizado o planejamento de processo variante para gerar as operações de usinagem POSIÇÃO=2 manter POSIÇÃO=-1 inverter Figura 1. Definição da posição da peça 4.2. Plano de Processo Variante Neste caso onde a usinagem é de barras, e de peças que são usinada com a fixação apenas na placa, ou placa e contraponto. O plano de processo pode ser assim definido de forma genérica como: 1 Torneamento de desbaste; 2 Torneamento de acabamento; 3 Torneamento de ranhuras; 4 Torneamento de roscas. 5 Sangramento. O uso deste plano de processo variante, se faz em função das features que compõem a peça e que estão disponíveis no sistema. Se a peça é composta somente por features eixo, e a peça possui um pequeno comprimento, esta pode ser fixada apenas na placa, resultando em várias operações de usinagem, como faceamento e sangramento da peça ao final. Se a peça possui um comprimento maior, esta deve ser fixada na placa e no contra-ponto, o que não permite que a peça seja faceada, nem seja sangrada Operações Específicas de Usinagem Sub-Operações As operações de desbaste e acabamento, foram subdivididas em outras sub-operações para facilitar o desenvolvimento dos algoritmos em função das features eixo na peça. Para peças com a fixação somente na placa, as operações e sub-operações de usinagem são: 1 -Torneamento de desbaste. 1.1 Desbaste de faceamento (figura 2(a)). 1.2 Desbaste direita para a esquerda (figura 2(b)) Desbaste de reentrâncias - direita para esquerda (figura2(c)) Desbaste de reentrâncias - esquerda para direita (figura 2(d)). 2- Torneamento de acabamento.

4 2.1 faceamento Acabamento direita para a esquerda Acabamento - reentrâncias da direita para esquerda Acabamento - reentrâncias da esquerda para direita. 3 Torneamento de roscamento externo. 4 Torneamento externo de canais. 5 Sangramento. No caso da operação de roscamento não foram implementadas as trajetórias, mas somente será usada a função existente no comando CNC da máquina, sendo necessário apenas identificar as características da feature. Para peças com fixação na placa e no contraponto o procedimento das operações são semelhantes. (a) (b) ( c) (d) Figura 2. Torneanemto de desbaste de faceamento (a) desbaste direita para esquerda (b);torneamento de desbaste de reentrância direita para esquerda (a), desbaste de reentrância esquerda para direita (b). As operações de desbaste e acabamento são analisadas enfocadas em features eixo e features modificadoras de aresta, tais como chanfro, arredondamento e concordância. O torneamento de roscas e canais, é uma operação independente, sendo executada numa outra etapa. As trajetórias para estas operações são influenciadas pelas respectivas dimensões das features. No caso do canal, as trajetórias de usinagem dependem da largura e da profundidade do canal, o que vai determinar a quantidade de passes a serem efetuados. Para a rosca, é função do passo e da altura do filete da rosca Detalhamento das Sub-Operações A seguir é feito o detalhamento das trajetórias da ferramenta para a execução de algumas operações descritas nos planos de processo. a) Torneamento de desbaste - faceamento: Com a peça desenhada e armazenada na estrutura de dados do sistema, identifica-se o primeiro eixo à direita da peça (posição DED Dimensão Externa Direita, figura 3) por onde inicia a seqüência de usinagem. A ponta da ferramenta começa a usinagem no ponto A(x,y) (figura 3), que tem por coordenada X a posição CoordF2 (figura 3) do primeiro eixo (face direita do eixo) mais o sobre metal vertical menos o avanço de corte. A coordenada Y é dada pela posição CoordY (coordenada do centro da peça, figura 3), mais o raio da matéria prima e mais um valor de segurança, para que a ferramenta não colida com a peça. Valor este estipulado pelo operador A ferramenta localizada em A(x,y) (figura 3), desce verticalmente até o centro da peça (ponto B), executando o faceamento. Após, afasta-se da peça para a direita e para cima em 45 o (ponto C) e sobe verticalmente até o ponto D. A ferramenta move-se agora na horizontal até o ponto E (figura 3), no valor do ponto inicial do ciclo (ponto A) mais o avanço de corte. Depois de posicionada a ferramenta no ponto E. Esta seqüência de usinagem é repetida até atingir a superfície da peça, ou, o sobre metal a ser deixado para a operação de acabamento. Depois do último passe, a ferramenta é deslocada para uma posição de segurança.

5 Figura 3. trajetórias de faceamento b) Torneamento de desbaste - direita para a esquerda: A usinagem inicia pelo eixo à direita da peça, verificando antes de cada passe de desbaste se a ferramenta não corta além do diâmetro nominal mais o sobre metal de acabamento. Não ocorrendo, determina-se as coordenadas do ponto inicial A(x,y) (figura 4) da trajetória da ferramenta. A coordenada X do ponto A, é o comprimento nominal da peça mais o sobre metal vertical, mais o valor de segurança, que serve para movimentação da ferramenta. Em Y, o ponto inicial situa-se no diâmetro nominal da peça menos a profundidade de corte. O ponto (B) (figura 4), é determinado percorrendo todos os eixos da peça para verificar até qual eixo o desbaste horizontal poderá ser feito, sem retirar material além do especificado. Se o desbaste pode ser feito em todos os eixos da peça, o ponto B está na posição DEE (figura 4). Com os dois pontos (A e B) (figura 4) definidos, é realizado o passe de desbaste nos eixos selecionados. Depois, a ferramenta afasta-se da peça em 45 o para a direita e para cima em direção ao ponto C. Desloca-se horizontalmente até o ponto D (DED). A ferramenta move-se na vertical até o ponto E (figura 4), no valor do ponto inicial do ciclo (ponto A) mais a profundidade de corte. Depois de posicionada a ferramenta no ponto E, é executada a mesma seqüência de operações a partir desta posição como descrito anteriormente, até que a usinagem na horizontal não possa ser feita até o final da peça (DEE), sendo feita até o penúltimo eixo (CoordI) pela direita. Esta seqüência de usinagem é repetida até que todos os eixos sejam usinados no valor do sobre metal de acabamento. O avanço da ferramenta é sempre o mesmo a cada novo passe, com exceção do último passe executado em cada eixo que pode ser menor. Figura 4. trajetória de desbaste para direita esquerda.

6 c) Torneamento de desbaste de reentrâncias - direita para esquerda: O torneamento de desbaste de reentrâncias analisa se o diâmetro do eixo seguinte ao analisado é menor. Se for, executa a função que determina a usinagem da reentrância, executando passes sucessivos nesta região como se fosse um desbaste normal (descrito anteriormente). Se houver outra região, o procedimento é semelhante (Figura 5). A diferença está na entrada da ferramenta, que leva em conta o ângulo que a mesma faz com a peça. Quando do deslocamento para a profundidade de corte, este ângulo é considerado, produzindo uma trajetória oblíqua para que a ferramenta não colida com a peça. Pode-se observar na figura 5, que uma trajetória executa um degrau ao final. Isto se deve que neste último eixo, ficou um sobremetal da trajetória anterior, sendo eliminado na seguinte. Figura 5. Torneamento de desbaste de reentrâncias - direita para esquerda d) Torneamento de desbaste de reentrâncias esquerda para direita: Consiste em retirar o material que ficou da última operação. Na figura 6 está representada a projeção da peça, onde identifica-se um triângulo que deve ser usinado deslocando a ferramenta da esquerda para a direita. O ângulo da base do triângulo é o ângulo da ferramenta com a horizontal, o que permite identificar os pontos onde a ferramenta deve iniciar a usinagem nesta posição. A trajetória de usinagem inicia-se no ponto P para o ponto A, seguindo a seqüência das letras até atingir o diâmetro nominal mais o sobre metal de usinagem. Figura 6. Torneamento de desbaste de reentrâncias esquerda para direita. e) Torneamento de desbaste de canais: O torneamento de canais consiste em identificar a feature básica eixo que possui uma feature modificadora tipo ranhura. Existindo na lista, extrai-se as informações dimensionais e de localização que permitem gerar a trajetória do ponto P(x,y) até A(x,y) em rápido, e depois de A(x,y) até o ponto B(x,y), fazendo em seguida a trajetória inversa B(x,y) para A(x,y) (figura 7).

7 Se a largura do canal é maior que a da ferramenta, vários passes deverão ser executados repetindo a trajeto A(x,y) - B(x,y), de ida e volta, bem como de deslocamento lateral. Figura 7. Torneamento de desbaste de canais. f) Torneamento de desbaste com chanfro, arredondamento e concordância: Quando da existência de features modificadoras, a usinagem de desbaste deve prever a retirada de material de acordo com a sua forma. Logo, o sistema identifica se uma determinada feature básica eixo possui uma feature modificadora e de que tipo, escolhendo assim a forma de desbaste a ser executada. De acordo com Maziero (2000), as trajetórias de desbaste da direita para a esquerda podem ser assim desenvolvidas, como apresenta a figura 8. Figura 8. Trajetórias de desbaste para features chanfro, arredondamento e concordância (Maziero,2000). Para a determinação da posição do avanço da ferramenta sobre o chanfro, esta é determinada através das informações do ângulo e do comprimento e da face em que se encontra. Para o arredondamento e a concordância o raio dos mesmos são necessários. O desenvolvimento dos respectivos algoritmos para as trajetórias da esquerda para a direita funcionam de forma semelhante. Torneamento de acabamento: O torneamento de acabamento consiste em percorrer o perfil da peça. Porém, de forma semelhante ao desbaste, há regiões em que a ferramenta não pode usinar, resultando em usinagens nos dois sentidos para finalizar a peça. A operação de acabamento também foi subdividida para um melhor entendimento em: - Acabamento de faceamento - Acabamento direita para esquerda - Acabamento de reentrância direita para esquerda - Acabamento de reentrância esquerda para direita Pode ser visto resultado do acabamento nas figuras 9 e 10. (a) (b) Figura 9. (a)trajetória de acabamento direita esquerda; (b)trajetória de acabamento esquerda direita.

8 5. EXEMPLOS DE APLICAÇÃO Os resultados da implementação podem ser vistos através da tela do AutoCAD R12, no qual foi implementada a solução gráfica das trajetórias da ferramenta (figuras 11 a 15). O uso seqüencial destas operações representam parte do plano de processos. A linha azul apresentada nas figuras, corresponde a trajetória da ponta da ferramenta. Nas figuras a seguir, as operações são apresentadas separadamente para uma melhor visualização dos resultados. Figura 11. Trajetórias de torneamento de faceamento de desbaste. (a) (b) Figura 12. Trajetórias de torneamento de desbaste direita para esquerda (a). Trajetórias de torneamento de desbaste de reentrância direita para esquerda (b). Figura 13. Trajetórias de torneamento de desbaste de reentrância esquerda para direita.

9 Figura 14. Trajetórias de torneamento de acabamento de uma peça com reentrâncias. Na figura 15, está representada a trajetória de desbaste com a identificação de features modificadoras tipo chanfro. 6. CONCLUSÕES Figura 15. Trajetórias de desbaste com features chanfro. Este trabalho representa apenas o início de um sistema que visa a automação das tarefas de programação para torneamento de barras. Esta tarefa consiste em determinar as situações reais de ocorrência, transformando-as em algoritmos. Estes algoritmos são construídos de forma que possam identificar a forma da peça, as regiões que devem ser usinadas e o sobre metal a ser deixado para as operações posteriores de usinagem. Tem-se conseguido resultados promissores porém, o tempo necessário para desenvolver os algoritmos e testar o seu funcionamento é muito grande, tornando o trabalho lento e tedioso. Isto se deve ao motivo que para cada tipo de feature definida no sistema, deve ser desenvolvida uma estratégia de usinagem, levando em conta a relação com as features já existentes no sistema. Outra tarefa a ser executada, é a geração do programa CNC automaticamente propriamente dito, identificando as ferramentas e os comandos necessários a obtenção de um programa confiável. Com a determinação das trajetórias de usinagem, é possível estudar os problemas de colisão e geração do programa CNC. 7. AGRADECIMENTOS A Universidade de Passo Fundo, Faculdade de Engenharia, pelo tempo disponibilizado para a tarefa. A FAPERGS, pela bolsa de iniciação científica.

10 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS Andrade, S. M. de, Mesquita, N. G. de M., Carvalho, H. M. B. de, Ferraz, D. P., Ferraz, D. P., 2001, Determinação do percurso da ferramenta de corte com parâmetros otimizados para um sistema CAD/CAPP/CAM com peças rotacionais. In: Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação, 2001, Curitiba. 1 Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação. Boogert, R. M., Kals, H. J. J. and Van Houten F. J. A. A. M., 1996, Tool Paths and Cutting Technology in Computer-Aided Process Planning. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, N. 11, p Chang, Tien-Chien; Wysk, R. A.,1985, An introduction to automated process planning.printice- Hall, INC.. Jung, M. Y. and Lee, K. H., 1996, A CAD/CAPP interface for complex rotationally symmetric parts. International Journal of Production Research, vol. 34, N. 1, p Maziero, N. L., 1998, Um Sistema Computacional Inteligente de Suporte ao Projeto, Manufatura e Montagem de peças Baseado em Features: Uma Abordagem com Sistemas Especialistas. Florianópolis. Tese (doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Santa Catarina. Maziero, N. L., Bonatto A.,Perez, G.,2000a, Geração de programas CNC: um experimento prático baseado em features. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE GESTÃO E DESENVOLVIMENTO, São Carlos. P Maziero, N. L., Ferreira, J. C. E., Pacheco, F. S., Prim, M.o F.,2000b, A feature-based Expert System to Model and Support Product Design. Journal of Brazilian Society of Mechanical Sciences, São Paulo, v.22, n.4, p GENERATION OF TOOL PATHS FOR TURNING OF ROUGH AND FINISH OPERATIONS WITH FEATURE-BASED SYSTEM Nilson Luiz Maziero Mechanical Engineering - University of Passo Fundo nlm@upf.tche.br Vagner do Nascimento Mechanical Engineering - University of Passo Fundo Summary: This work proposes the generation of paths tool for turning, with a feature-based representation of workpieces. The generation of the tool paths is made automatically through the identification of the features that form the workpiece. The proposed algorithm is based under a variant process planning approach. For this purpose, turning strategies are described in agreement with a taxonomy of these features and with the operation to be performed (roughing or finishing). This application is restricted to turning of cylindrical bars pieces. This work has been implemented in C/C++ language, as an add-in of AutoCAD R12. Palavras-chave: Features, Tool Path, CAPP, CAM, CNC.