Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP) Divisão Biblioteca Central do ITA/CTA
Silva, Alex Sandro de Araújo
Desenvolvimento Integrado CAD/CAM de Componentes para turbinas a Gás / Alex Sandro de Araújo. São José dos Campos, 2006.
133f.
Tese de mestrado – Curso dePós-Graduação em Engenharia Aeronáutica e Mecânica, Área de Sistemas Aeroespaciais e Mecatrônica–Instituto Tecnológico de Aeronáutica, 2006. Orientador: Dr. Eng. Mec. Jefferson de Oliveira Gomes.
1. CAD/CAM. 2. Fresamento 5-eixos. 3. Manufatura de Componentes de Turbinas a Gás. I. Centro Técnico Aeroespacial. Instituto Tecnológico de Aeronáutica. Divisão de Engenharia Mecânica-Aeronáutica. II. Desenvolvimento Integrado CAD/CAM de Componentes de turbinas a Gás / Alex Sandro de Araújo Silva
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
SILVA, Alex Sandro de Araújo. Desenvolvimento Integrado CAD/CAM de Componentes para turbinas a Gás. 2006. 133f. Tese de mestrado – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos.
CESSÃO DE DIREITOS
NOME DO AUTOR: Alex Sandro de Araújo Silva
TÍTULO DO TRABALHO: Desenvolvimento Integrado CAD/CAM de Componentes para Turbinas a Gás
TIPO DO TRABALHO/ANO: Tese de Mestrado/ 2006
É concedida ao Instituto Tecnológico de Aeronáutica permissão para reproduzir
cópias desta tese e para emprestar ou vender cópias somente para propósitos
acadêmicos e científicos. O autor reserva outros direitos de publicação e
nenhuma parte desta tese pode ser reproduzida sem a sua autorização (do autor).
___________________________ Alex Sandro de Araújo Silva
Pr. Mal. Eduardo Gomes, 50. Vila das Acácias CTA-HTO Q.302
São José dos Campos - SP 12228-900
Composição da Banca Examinadora:
Prof. Dr. Luís Gonzaga Trabasso Presidente-ITA
Prof. Dr. Jefferson de Oliveira Gomes Orientador-ITA
Prof. Dr. Miguel Ângelo Menezes ITA
Prof. Dr. Cristiano Vasconcellos Ferreira CIMATEC-BA
Prof. Dr. Osiris Canciglieri Junior PUC-PR
DEDICATÓRIA
Dedico esse trabalho aos meus pais Vera Lucia de Araújo Silva e Raimundo Nonato da Silva, minha avô Tereza Machado da Silva e Francisco Ferreira de Araújo (Em Memória), Minhas Irmãs Izabel Cristina de Araújo Silva e Sônia Regina de Araújo Silva e especialmente a minha linda noiva Fernanda Cinthia Diniz Teixeira.
Obrigado Deus por essa oportunidade!
Alex Sandro de Araújo Silva Dezembro 2005.
Sandvik por seu suporte técnico que tornaram possível o presente trabalho.
Agradeço ao Everton por comandar uma máquina-ferramenta, como a Hermle C600 U, com extrema maestria em nossos ensaios, ao Wilson por suas idéias no desenvolvimento de dispositivos de fixação e habilidade para fabricá-los. E também a todos os amigos do laboratório Marcelo, Daniel, Oswaldo, Aluno PET (Gustavo) e Guilherme que contribuíram de uma forma ou de outra para o termino desse sonho “ser mestre”.
FABRIC OF LIFE
I want to say something to all of you Who have become a part
Of the fabric of my life The color and texture Which you have brought into My being
Have become a song
And I want to sing it forever. There is a energy in us Which makes things happen When the paths of other persons Touch ours
And we have to be there And let it happen
When the time of our particular sunset comes Our things, our accomplishment
Won’t really matter A great deal.
But the clarity and care
With which we have loved others Will speak with vitality
Of the great gift of life We have been for each other
RESUMO
O trabalho aqui apresentado propõe um método para a utilização da cadeia CAD/CAM no fresamento 5-eixos de componentes de turbinas a gás. O método procura integrar as etapas CAD, CAM do processo de fabricação de componentes de turbinas a gás. O método aborda desde a modelagem dos componentes, evitando algumas características impróprias ao fresamento 5-eixos, passando pela simulação das trajetórias e pós-processamento e por fim fabricação dos componentes.
A partir desse trabalho algumas informações importantes referentes à cadeia CAD/CAM puderam ser levantadas. De maneira geral, a abordagem da cadeia CAD/CAM para o fresamento 5-eixos deve considerar etapas anteriores ao da programação CAM, como a etapa CAD da cadeia, onde as geometrias são definidas, e posteriores, neste caso, simulação das trajetórias de ferramenta e pós-processamento do código CN.
Ainda, foram feitas análises relacionadas aos tipos de interpolação que estão disponíveis para o fresamento de geometrias complexas. Essa análise é também apresentada no trabalho fazendo parte das contribuições que esse trabalho se propõe a dar.
Os resultados são extremamente práticos e se propõem a serem utilizados de imediato na indústria. Eles vão desde restrições a modelagem de geometrias para o fresamento 5-eixos até informações referentes a uso de interpolações complexas no âmbito de fresamento de superfícies complexas. Procurou-se dar informações pertinentes ao fresamento 5-eixos em todas as etapas da cadeia CAD/CAM para esse processo de fabricação.
Particularly, in the case of component modeling, it prevents the occurrence of improper features in the 5-axes machining.
This work raised important information about CAD/CAM chain. Generally, in the case of 5-axes machining, the complete CAD/CAM chain must be considered. It includes stages previous to the CAM programming, such as the CAD stage of the chain, which defines the geometry of the components. It also includes activities posterior to the CAM programming, such as tool path simulation and NC code pos-processing.
Analyses related to interpolation types had been performed and are among the important contributions of this work. Particularly, this work presents the results obtained for complex geometries machining.
The results of this thesis are practical and can be directly applied to industry. They comprehend from the specification of geometry restrictions for 5-axes machining, to the proposal of guidelines for the application of complex interpolations in the context of free form surface machining. The thesis intended to approach and give contributions in all stages of CAD/CAM chain for the case of 5-axes machining.
SUMÁRIO
1 Introdução... 15 1.1 Histórico e motivação... 15 1.2 Escopo do trabalho... 16 1.3 Contribuições... 17 1.4 Estrutura do trabalho... 17 2 Revisão bibliográfica... 18 2.1 Sistemas CAD/CAM... 182.1.1 Histórico dos Sistemas CAD/CAM... 18
2.1.2 Modelagem de superfícies complexas... 25
2.1.3 Modelagem de sólidos... 33
2.1.4 Geração de trajetória de ferramenta... 38
2.1.5 Simulação e verificação de trajetórias... 45
2.1.6 Pós-processamento para fresamento 5-eixos... 50
2.2 Influências sob o fresamento 5-eixos... 53
2.2.1 Características de uma máquina ferramenta 5-eixos... 54
2.2.2 Fixação da peça... 59
2.2.3 Condições de contato da ferramenta... 61
3 Materiais e métodos... 70 3.1 Materiais de ensaio... 70 3.2 Máquina-ferramenta... 71 3.3 Ferramentas de corte... 72 3.4 Software CAD/CAM... 73 3.5 Equipamentos auxiliares... 74
3.6 Método utilizado nos ensaios... 75
3.6.1 Procedimento para análise de geometrias (IGES, PARASOLID)... 79
3.6.2 Procedimento para remodelagem para fresamento 5-eixos... 83
3.6.3 Procedimento programação CAM de componentes... 84
3.6.4 Procedimento para criação de simulador de máquina-ferramenta... 87
3.6.5 Procedimento para medição dos percursos da ferramenta de corte... 91
3.6.6 Pós-processamento dos programas... 93
3.6.7 Procedimento para fabricação dos componentes... 94
5 Conclusões e sugestões para trabalhos futuros... 121
5.1 Conclusões... 121
5.2 Sugestões... 124
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1: Computador Whirlwind sendo testado no MIT em 1951... 19
Figura 2.2: Exemplo da linguagem APT... 20
Figura 2.3: Trecho de um arquivo CL (Cutter Location)... 21
Figura 2.5: Trecho de código ISSO (código G) de 1970... 21
Figura 2.6: Sólido gerado a partir de operação de revolução... 26
Figura 2.7: Curva de Bézier e seus pontos de controle... 27
Figura 2.8: Polinômios de Bernstein com a ordem no intervalo de 0 a 2... 28
Figura 2.9: Exemplo de B-Spline pontos de controle e nós (knots)... 28
Figura 2.10: Cônica descrita por uma curva NURBS e seus pontos de controle... 30
Figura 2.11: Seções Cônicas (circulo, elipse, parábola, hipérbole)... 31
Figura 2.12: (a) NURBS descontínua, problemática para modelagem de superfícies (b) Gráfico de curvatura da NURBS mostrando sua descontinuidade... 32
Figura 2.13: Representação ambígua de um objeto em representação wireframe... 34
Figura 2.14: UG NX 3, exemplo de sólido e árvore booleana... 35
Figura 2.15: Geração de trajetória segundo o método isoparamétrico... 39
Figura 2.16: Pá de turbina Hidráulica fabricada por fresamento 5-eixos... 42
Figura 2.17: Eixos rotativos usados para posicionamento (desbaste em 3+2 eixos)... 43
Figura 2.18:Operação de desbaste do tipo Z-level... 44
Figura 2.19: Vetores normais são referencias para inclinação da ferramenta... 45
Figura 2.20: Verificação de trajetória com a retirada dinâmica de material... 46
Figura 2.21: Verificação de trajetória sem a retirada dinâmica de material... 47
Figura 2.22: Simulação de máquina-ferramenta... 49
Figura 2.23: Classificação de máquinas-ferramenta 5-eixos... 52
Figura 2.24: Influências sobre o fresamento 5-eixos... 53
Figura 2.25: a) Máquina-ferramenta 3-eixos XYZ b) Máquina-ferramenta 5-eixos XYZ no fuso e AC na mesa... 55
Figura 2.26: Volume gerado pelo movimento 5-eixos da ferramenta... 56
Figura 2.27: Aproximação 2D da trajetória 3D da ferramenta de corte... 57
Figura 2.28:Inclinação do cabeçote no fresamento de estampo... 61
Figura 2.29: Ferramenta de corte admitida como uma viga engastada... 63
Figura 3.4: Equipamento utilizado para medição de peça... 75
Figura 3.5: Método aplicado aos ensaios... 76
Figura 3.6: Impelidor de turbina a gás escolhido para o estudo... 79
Figura 3.7: Modelo do impelidor escolhido para os testes... 80
Figura 3.8: Superfícies utilizadas para avaliação de geração de trajetória... 81
Figura 3.9: Inclinação da ferramenta de com relação a normal a superfície... 82
Figura 3.10: Analise Gaussiana (Curvatura Gaussiana) de superfícies... 83
Figura 3.11: Desbaste da geometria... 85
Figura 3.12: Estratégia para acabamento das superfícies... 87
Figura 3.13: Características geométricas da máquina-ferramenta... 88
Figura 3.14: Modelo CAD da maquina ferramenta simulada... 89
Figura 3.15: Sistema para aquisição de dados em tempo real do CNC... 91
Figura 3.16: Tolerância (intol/outol) para programação CAM... 92
Figura 3.17: Teste de interpolação de trajetória de ferramenta... 92
Figura 3.18: Dispositivo de fixação para a fabricação do componente... 94
Figura 3.19: Direção das medições de rugosidade realizadas na peça... 95
Figura 3.20: Montagem em bancada para medição de rugosidade... 96
Figura 3.21: Inspeção da geometria estudada no trabalho... 97
Figura 4.1: Procedimento de modelagem das pás de um compressor... 99
Figura 4.2: Parametrização original e superfície após operações booleana (trimming)... 100
Figura 4.3: Geração de trajetória de ferramenta na superfície... 100
Figura 4.4: Superfícies utilizadas para avaliação de geração de trajetória... 101
Figura 4.5: Trajetórias gerada para superfície com complexidade de borda 1... 102
Figura 4.6: Trajetória gerada para superfície com complexidade de borda 2 e β 15º... 103
Figura 4.7: Trajetória gerada para superfície com complexidade de borda 2 e β 45º... 103
Figura 4.9: Trajetória gerada para superfície com complexidade de borda 2 e α 45º... 104
Figura 4.10: Trajetória gerada para superfície com complexidade de borda 3... 105
Figura 4.11: Analise Gaussiana após remodelagem... 106
Figura 4.12: Descontinuidade na superfície de proteção... 107
Figura 4.13: Velocidade para fz = 0,1 mm/z e tol.CAM de 0,025 mm... 108
Figura 4.14: (a) Interpolação linear, (b) Interpolação Circular, (c) Interpolação Polinomial... 109
Figura 4.15: Tempo X Tolerância CAM para: (a) Linear (b) Circular e (c) Polinomial... 110
Figura 4.16: Velocidade para fz = 0,3mm/z para as interpolações: (a) Linear (b) Circular (c) Polinomial... 111
Figura 4.17: Simulação de processo de fresamento 5-eixos... 113
Figura 4.18: Perfis das pás submetidas a operações de acabamento... 114
Figura 4.19: Rugosidade da superfície de sucção para o maior Rz... 116
Figura 4.20: Rugosidade da superfície de pressão para o maior Rz... 117
Figura 4.21: Rugosidade da superfície de sucção para o menor Rz... 118
Figura 4.22: Rugosidade da superfície de pressão para o menor Rz... 119
Tabela 3.4: Parâmetros de corte utilizados na fabricação do componente... 86 Tabela 3.5: Matriz de teste para os ensaios de interpolações... 92 Tabela 3.6: parâmetros utilizados no rugosímetro... 97
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
β – (Inclinação da ferramenta na direção paralela a direção de avanço)
σ – Desvio padrão
α – Inclinação da ferramenta na direção transversal a direção de avanço) ae – Profundidade de corte radial
ap – Profundidade de corte axial
APT – Automatically Programmed Tools CAD – Computer Aided Design
CAM – Computer Aided Machining CL – Cutter Location
CTA – Comando – Geral de Tecnologia Aeroespacial DIN – Deutsches Institut für Normung
fz – Avanço por faca ou gume cortante
GKS – Graphical Kernel System GUI – Graphic User Interface HSM – High Speed Machining
IGES – Initial Graphics Exchange Specifications ISO – International Organization for Standardization ITA – Instituto Tecnológico de Aeronáutica
KBM – Knowledge Based Machining NC – Numerical Control
NURBS – Nonunifome Rational B-Spline OpenGL – Open Graphics Library
PCs – Personnel Computers
1 Introdução
Neste capítulo é introduzido o assunto fresamento 5-eixos de componentes de turbinas a gás e são apresentados os elementos motivadores do presente trabalho. Em seguida, os objetivos gerais e específicos são delineados, bem como as contribuições que se pretende prover.
1.1 Histórico e motivação
Projetos de turbinas a gás no CTA (Comando Geral de Tecnologia Aeroespacial) nasceram praticamente junto com o próprio CTA. Entretanto, desenvolvimentos nessa área somente tomaram proporções consideráveis na década de 70, com a criação de um programa de pesquisa dedicado a essa área. O CTA dava os seus primeiros passos para desenvolvimentos significativos [1].
O CTA conta com um moderno laboratório especialmente dedicado a turbinas a gás (Centro El Passo de referência em Turbinas a Gás), com uma bancada de testes para turbinas e uma câmara para testes de combustão. Estes laboratórios se dedicam ao projeto e desenvolvimento de pequenas turbinas a gás [2].
Com o advento da indústria aeroespacial, centenas de turbinas a gás foram importadas. No entanto, a indústria de manufatura local não foi impulsionada nesse mesmo compasso. Esse fato serve de motivação para o desenvolvimento dessa tese, bem como, a de fornecer opções a matriz energética nacional possibilitando a fabricação desses componentes no país a custos menores. Assim, pode-se deslumbrar o uso desses sistemas por uma parcela maior da sociedade possa desfrutar de mais essa opção de fornecimento de energia. Além dessas motivações, existe toda uma estrutura montada no Centro de Competência em Manufatura (CCM) que possibilita a fabricação dos componentes mais complexos de turbinas a gás.
fabricação em CAM (Computer Aided Manufacturing) para geometrias complexas (free–form surfaces) encontradas em componentes de turbinas a gás. Procurou–se com isso integrar sistemas CAD/CAM através de boas práticas de modelagem e troca de informação entre sistemas das superfícies encontradas nesses componentes;
2. Definir e avaliar variáveis CAD/CAM para fresamento 5–eixos;
3. Avaliar a simulação cinemática da máquina–ferramenta no processo de fresamento 5– eixos. Nesta etapa, objetivou-se definir um modelo cinemático para a máquina– ferramenta do estudo, com a justificativa de prevenir colisões e avaliar o processo de pós–processamento;
4. Avaliar diferentes interpolações de trajetória de ferramenta numa máquina–ferramenta de construção conhecida. Nesta etapa, objetivou–se obter informações a respeito dos movimentos dos eixos da máquina–ferramenta, adquirindo informações a respeito do deslocamento e a velocidade dos eixos da máquina-ferramenta;
5. Avaliar os resultados da aplicação do método a partir da qualidade das superfícies de pressão e sucção de compressores utilizando diferentes parâmetros de corte, através de técnicas conhecidas para análise de superfícies de engenharia.
1.3 Contribuições
A contribuição esperada deste trabalho atinge a indústria nacional. Foram Mostradas algumas nuances do fresamento 5-eixos que não são observadas e por vezes ignoradas quando se esta utilizando fresamento 3-eixos.
Ainda como contribuição é apresentado um método para utilização das tecnologias CAD (Computer Aided Design), CAM (Computer Aided Manufacturing) e Five Axes Machining (fresamento 5-eixos) de forma condizente com os apelos produtivos que se vê na literatura.
1.4 Estrutura do trabalho
O presente trabalho apresenta a seguinte estrutura:
Capitulo 2: Será feita uma revisão bibliográfica a respeito do assunto CAD/CAM/CNC com a justificativa de contextualiza o trabalho numa realidade industrial existente.
Capitulo 3: Neste Capitulo, são definidos os experimentos realizados no trabalho. Além disso, são descritos também os equipamentos, instrumentos e insumos utilizados durante os ensaios.
Capitulo 4: Neste Capítulo, os resultados obtidos nos experimentos são analisados e discutidos.
Capitulo 5: Neste Capítulo, são feitas a conclusões a cerca do trabalho e também são feitas sugestões para outros trabalhos que complementem a presente tese.
Nas subseções seguintes procura-se, primeiramente dar ao leitor uma contextualização histórica (a longos das décadas) a cerca das tecnologias CAD e CAM. Por fim é feita uma revisão teórica a cerca do assunto que vai desde dos dois principais metodos de modelagem para obtenção de geometrias para a engenharia, modelagem de superficies complexas (free form modeling) e a modelagem de sólidos (solid modeling), passando pela geração de trajetorias de ferramentas e pós-processamento, até a verificaçao e simulação da trajetória criada.
2.1.1 Histórico dos Sistemas CAD/CAM
A evolução da computação gráfica está diretamente relacionada à evolução dos computadores, tendo em vista que as técnicas utilizadas se aperfeiçoaram basicamente sustentadas pelo avanço do hardware e pelo conseqüente aumento da capacidade computacional.
Nos anos 50, a Força Aérea Americana financiou um projeto no MIT (Massachusetts Institute of Technology) para o desenvolvimento do Computador Whirlwind. Como conseqüência desse projeto, outros desenvolvimentos no Laboratório de Servomecanismos do MIT foram financiados. Um desses projetos era o desenvolvimento de sistemas computacionais que hoje se conhece como Controle Numérico ou CN (Figura 2.1).
Inicialmente, o controle numérico desenvolvido servia apenas para explorar e testar o computador Whirlwind. Essa pesquisa inicial levou a um projeto bem maior sobre o tema
controle numérico para fresamento 5–eixos de peças complexas, encontradas em aeronaves da época [3]. Em 1956 a empresa japonesa FANUC, hoje GE FANUC (junção da GENERAL ELETRIC com a FANUC Co. japonesa) foi a primeira empresa civil a desenvolver um controle numérico fora de pesquisas militares [4].
Figura 2.1: Computador Whirlwind sendo testado no MIT em 1951 [5].
Nesta época, cada máquina–ferramenta desenvolvida recebia uma solução diferente para a adaptação ao comando numérico, o que implicava no desenvolvimento de componentes e programação dedicada, ficando evidente a necessidade de uma padronização e da criação de uma linguagem que permitisse a troca de informações entre os diversos ramos da indústria [6].
A partir de 1958, através dos estudos realizados pela EIA (Electronic Industries Association), e das decisões tomadas neste fórum, houve a possibilidade da padronização do formato de entrada, conforme padrão RS–244 (Resolution Standard), regulamentado em 1961 e, mais tarde, em 1967, modificado pela RS–244a (DIN 66016). A instrução EIA RS–358 regulamenta a codificação adotada pela linguagem ISO [7].
para desenho auxiliado por computador CAD (Computer Aided Design), e de auxílio à fabricação de produtos da indústria automobilística e aeroespacial, CAM (Computer Aided Manufacturing) [5].
Nessa mesma década, os software CAM eram caracterizados pela programação manual. Nos sistemas prevalecia à utilização da linguagem APT (Automatically Programmed Tools) para a descrição simbólica das geometrias, ferramentas, e procedimentos para o corte, numa maneira independente da máquina-ferramenta (Figura 2.2) [3].
... 5 PARTNO ELBOW FCGG 6 MULTAX ... 14 CUTTER/0 15 TOLER/.001 … 18 CIR=CIRCLE/0,0,(S/2)
19 LI=LINE/(POINT/X,0), ATANGL, -(Y/(2*(Z-1))) 20 ST) P4(A)=POINT/CIR, ATANGL,ANG
21 P2(A)=POINT/INTOF, LI, (LINE/P4(A), ATANGL,90) …
39 STC=TABCYL/NOZ, SPLINE, PT(1, THRU, 73) 40 INDIRP/PT(1)
41 GO/ON, STC
42 GORGT/STC, ON, (LL=LINE/P1(73), ATANGL, 90) …
82 CALL/POC1, PT=.02, DT=.03, CT=.03, FNCUT=0 Figura 2.2: Exemplo da linguagem APT. [3].
Outras linguagens como Prompt (Automatic Programming of Machine Tool), Adapt (Air Force Developed APT ou Adaptation of APT), Compact II, Action, entre outras, foram desenvolvidas a partir da idéia da simplificação dos comandos e das terminologias utilizadas na programação APT [9]. Numa fase posterior era gerado o posicionamento das ferramentas (CL–Cutter Location file) para a especificação numérica da trajetória da ferramenta (tool path) e dados de controle da máquina–ferramenta, ainda preservando a independência da máquina–ferramenta (Figura 2.3) [3].
$$ PART PROGRAM CUTTER/0
SPINDLE/ON
GOTO/3.145, -2.678, 4.006 PPRINT PART IS FINISHED
Figura 2.3: Trecho de um arquivo CL (Cutter Location) [3].
Numa fase final acontece o pós–processamento do código G (linguagem ISO), que especificava os eixos de movimentação de uma máquina–ferramenta (Figura 2.4) [3].
G-CODE STATEMENT N010 G90 G92 X0 Y0 Z0 N020 S1000 M8 M3 N030 G0 X1.735 Y-4.608 N040 G1 G91 Z-.5 F5.0 N050 G0 Z.5 N060 X0 Y0 M9 M5
Figura 2.4: Trecho de código ISO de 1970 (código G) [3].
Até próximo dos anos 70 o termo CAD nada mais era do que um aplicativo drafting que servia para criar desenhos 2D. Até que em 1972 foi desenvolvido por engenheiros da Renault, entre eles o francês Pierre Bézier o sistema CAD UNISURF [10].
máquinas-ferramenta numericamente controladas dos anos 1950, que era feita a partir de um conjunto codificado instruções codificadas numa fita. Hoje um único computador pode controlar várias máquinas-ferramenta movendo o produto de maquina em maquina até os processos de manufatura está completo [11].
Os sistemas CAD/CAM foram desenvolvidos inicialmente, antes do UNISURF, por matemáticos que não estavam familiarizados com superfícies auxiliares de transição (raios de canto, chanfros, etc.), onde nos sistemas, essas superfícies eram esquecidas ou mesmo ignoradas. A forma final de um capô de carro era feita artesanalmente, na qual todos os cantos e chanfros eram acertados manualmente [10].
GOURAUD em 1971 desenvolveu um novo método de coloração de faces 3D (Gouraud Shading Method) [12]. No ano de 1972 foi criado um novo algoritmo de cálculo de visibilidade de superfícies 3D, usando técnicas de ordenação por NEWELL e SANCHA [13]. Este novo algoritmo se destacava por ser extremamente simples, conseqüentemente, ocupava pouca memória nos discos rígidos, além de ser rápido.
Em 1973 foi desenvolvida na Xerox PARC (Palo Alto Research Center), a primeira matriz de pixels com 8 bits por pixel [14]. Foi ainda realizada a primeira conferência SIGGRAPH (Conferencia Internacional em Computação Gráfica e técnicas Interativas) [15].
No ano de 1974 foi desenvolvido por Catmull um novo método de visibilidade e coloração de faces (z-buffer) [16].
Em 1975, Phong desenvolveu um método de coloração de faces 3D capaz de reproduzir efeitos direcionais de iluminação (reflexões simples) [17]. No mesmo ano, Mandelbrot desenvolveu a teoria dos fractais [18].
No final da década de 70, em 1977, surgiu a primeira biblioteca gráfica de programação GKS (Graphical Kernel System) [19]. A biblioteca GKS é um padrão de visualização em 2D; nela não está incluída a modelagem de elementos 3D [20].
Nos anos 80, viu–se a introdução de sistemas com interfaces gráficas, desaparecendo a caneta luminosa e as telas vetoriais, dando lugar aos mouses e as matrizes de pixels. Neste cenário, o hardware e o software eram comprados no mesmo pacote [3].
Em 1982, a SGI (Silicon Graphic Incorporated) foi criada, empresa especializada em equipamentos para computação gráfica, que liderou mais tarde a criação da biblioteca gráfica OpenGL. OpenGL é definida como "um programa de interface para hardware gráfico". Se Pode pensar o OpenGL como uma biblioteca de rotinas gráficas e de modelagem, bi (2D) e tridimensional (3D). Usando OpenGL é possível criar gráficos 3D com uma qualidade visual próxima da alcançada com o algoritmo ray tracer. Também no mesmo ano, a SUN, introduziu o conceito de estação gráfica em rede [5].
Entre 1983 e 1984, com a criação do Macintosh pela Apple, aconteceu a introdução da GUI (Graphic User Interface), assim tem-se o início de tudo que se conhece hoje em termos de interface com o usuário [5]. Iniciou-se o emprego de modelos digitais na concepção e manufatura de produtos. Ainda em 1984 foi desenvolvido um método de síntese de imagem baseado em teorias de transporte de calor, o qual foi chamado de radiosidade, método que é resolvido de forma progressiva através de técnicas interativas de resolução de sistemas de equações lineares. Em 1987 surgiu o primeiro sistema CAD/CAM integrado e chamado
geometrias 3D se tornaram muito comuns em todo o mundo tecnológico. O uso de sólidos tornou–se difundido, e os software CAM aceitaram o uso dessa definição. Para os sistemas CAM, os anos 90 mostraram a introdução de re–usinagem automáticas de regiões onde havia material deixado por uma operação anterior sem a necessidade de gerar a usinagem para toda peça [23].
Máquinas–ferramenta HSC (High Speed Cutting) que suportavam rotações de 20000 rpm ou mais e comandos CN para atender essas máquinas foram desenvolvidos nos últimos anos. Consideráveis características foram introduzidas nessa época, tal como o uso de NURBS no código CN e a conseqüente suavização na transição entre blocos de programas CN. Essas mudanças nos sistemas CAD/CAM eram efetivamente necessárias para suportar as mudanças acontecidas em todo o hardware envolvido no processo [23].
Em fevereiro de 2004 a empresa americana de consultoria CIMdata referiu–se aos anos 2000 como a era das Empresas Virtuais, que se baseiam em tecnologias digitais. Muitas corporações estão migrando para ambientes totalmente sem papel. Existe toda uma expectativa para que todo o desenvolvimento de um produto seja executado e acompanhado através de modelos digitais desses processos. A CIMdata considera manufatura digital ou virtual como sendo uma tecnologia emergente e o elemento chave do gerenciamento do ciclo de vida do produto. Muitas companhias estão estendendo suas soluções PLM (Product Life
Cycle Management) a abordar a engenharia de manufatura, incluindo funções de planejamento de processos e engenharia de produto e outros elementos do ciclo de vida do produto. Segundo CHRISTMAN a “questão CAM” está sendo tratada nos anos 2000 da seguinte forma [23]:
• Operabilidade e forte parceria entre produtos de empresas distintas de software, permitindo co–existência numa solução integrada.
• O uso de funcionalidades orientadas graficamente, voltadas para todas as aplicações dos software CAM.
• Software específicos para determinadas aplicações têm sido criados, tentando alcançar determinados usuários (fresamento 5–eixos, softwares para programação na própria máquina–ferramenta).
• Uso de modelos híbridos utilizando sólidos e superfícies para obter as vantagens que ambos podem oferecer.
• O ressurgimento do fresamento 5–eixos de posicionamento (fresamento 3+2) e o fresamento 5–eixos simultâneos como uma técnica de custo aceitável em consideração a sua produtividade.
• A introdução de software CAM com filosofia KBM (Knowledge Based Machining) ou softwares baseados no conhecimento do processo de usinagem, a partir de personalizações (custumizations) feitas no software pelo próprio usuário ou empresas especializadas.
2.1.2 Modelagem de superfícies complexas
A modelagem de produtos com geometria complexa pode ser feita com várias técnicas. Estas podem ser divididas em dois grandes grupos, as que necessitam de dados de entradas como por exemplos dados de digitalização (fitting techniques) e as que não necessitam de nenhum conhecimento prévio do que se quer modelar (ab initio techniques) [20]. Para o
finitos e a própria fabricação das superfícies.
A Figura 2.5 mostra descontinuidades numa das superfícies do sólido de revolução gerado a partir do perfil também mostrado na figura. A descontinuidade é ocasionada pelas curvas geratrizes do perfil serem elementos geométricos distintos (duas linhas e um arco).
Figura 2.5: Sólido gerado a partir de operação de revolução.
A geometria mostrada na Figura 2.5 é tipicamente encontrada em componentes de turbinas a gás, cubo (hub de um impelidor). Devido a exigências de fabricação do componente faz–se necessário o uso de uma única e contínua superfície para a geometria mostrada em substituição ás três existentes no modelo (superfície funcional única). O que aconteceu com esse modelo é que a condição de continuidade foi imposta as curvas geratrizes essa condição não e satisfeita para a superfície de revolução gerada.
A troca de informação entre os vários sistemas CAD/CAM existentes é realizada, muitas vezes, no formato de superfícies 3D. Desde 1983, o formato IGES (Initial Graphics Exchange Standard) é frequentemente utilizado para troca de informações entre vários sistemas CAD/CAM existentes [20]. As curvas e superfícies B-Spline racionais são o padrão utilizado para representação de geometrias 2D e 3D. Isso explica, em parte, o uso de NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) para modelagem de formas complexas com o passar dos anos. Além disso, disso existem outras vantagens relacionadas ao o uso de NURBS na modelagem de superfícies complexas [24]:
• Oferece uma forma canônica para a representação de formas analíticas e complexas (free form);
• Fornece a flexibilidade para a modelagem de uma larga variedade de formas; • Podem ser encontrados por algoritmos numericamente estáveis e precisos; • Oferece boa interpretação geométrica e poderosas ferramentas geométricas;
• São generalizações das representações de curvas e superfícies B-Spline não racionais, Bézier racionais e Bézier não-racionais [25].
As curvas racionais de Bézier são definidas por polígonos de controle um exemplo pode ser visto na Figura 2.6.
) ( , (1 ) )! ( ! ! ) ( r i r r i t t r i r i t B − − − = Eq. 2.2
Figura 2.7: Polinômios de Bernstein com a ordem do polinômio no intervalo de 0 a 2 [27].
Do ponto de vista matemático, uma curva gerada a partir dos vértices de um polígono de controle é dependente de algum método de interpolação ou aproximação para estabelecer a relação entre a curva e o polígono de controle. Esse método de interpolação é definido quando se escolhe a função base. No caso da curva de Bézier a função base utilizada são os polinômios de Bernstein. Uma curva B- Spline que é mostrada na Figura 2.8 é a generalização das curvas de Bézier [26].
Considere que um vetor conhecido como vetor nodal (knot vetor) seja definido como segue: } ,..., , {t1 t2 tm T = Eq. 2.3
onde T é uma seqüência de números não decrescente com ti∈
[ ]
0,1 e definem os pontos de controle P0,P1,...,Pn.Define-se como grau p o seguinte argumento matemático: 1
− − =m n
p Eq. 2.4
onde m é o numero de nós e n é numero de pontos de controle. Define-se a função base como:
( )
( )
( )
N( )
t t t t t t N t t t t t N Contrário Caso t t t t t se t N p i p i i p i i i i i i i i 1 , 1 1 , 0 , 1 1 0 , 0 e 1 − + − + + + − − + − − = ⎩ ⎨ ⎧ ≤ < < = Eq. 2.5A curva B–Spline (Base Splines), portanto é da forma:
( )
∑
( )
= = n i p i iN t P t C 0 , Eq. 2.6Entretanto, uma das falhas desse equacionamento matemático é a necessidade de informações extras para definição de formas relativamente simples [24]. Por exemplo, para se definir um circulo precisasse do centro do circulo e de seu raio ou diâmetro, entretanto, se uma B-Spline é utilizada para definir um circulo são utilizados 4 pontos de controle (Figura 2.9). Uma curva NURBS é definida por quatro entidades matemáticas: grau, pontos de controle, nós (knots), e uma regra de avaliação.
Figura 2.9: Cônica descrita por uma curva NURBS e seus pontos de controle.
O grau (p ) é um número inteiro positivo, que é usualmente 1, 2, 3 ou 5. Linhas e poli– linhas tem usualmente grau 1, círculos NURBS têm grau 2, e a maioria das curvas de forma complexa tem grau 3 ou 5. Algumas vezes os termos linear, quadrática, cúbica, e quíntica são usados para descrever os graus dessas curvas. Linear significa grau 1, quadrática significa grau 2, cúbica significa grau 3, e quíntica significa grau 5. A ordem de uma curva NURBS é um numero positivo igual a (p+1). É possível aumentar o grau de uma curva NURBS e não mudar a sua forma, mas, o mesmo, não acontece quando se reduz o grau [20].
O número dos pontos de controle é pelo menos (p+1) pontos. Uma das formas mais fáceis de mudar a forma de uma curva NURBS é mover seus pontos de controle. Os pontos de controle têm um número associado a cada um deles chamado peso. Com poucas exceções, os pesos são números positivos. Quando os pontos de controle têm o mesmo peso (usualmente 1), a curva é chamada de não–racional, de outra forma, a curva é chamada racional. Na prática, a maioria das curvas NURBS são não–racionais. Poucas curvas NURBS são sempre racionais, por exemplo, seções cônicas (círculos, elipses, hipérbole e parábolas) (Figura 2.10) [29].
Hipérboles
Parábola
Círculo
Hipérboles Elipse
Figura 2.10: Seções Cônicas (circulo, elipse, parábola, hipérbole) [30].
O vetor nodal tem a mesma definição encontrada em curvas B–Splines. Esse vetor deve satisfazer várias exigências. A forma padrão para assegurar que estas exigências sejam satisfeitas, é limitar o número de valores duplicados no vetor nodal a menor ou igual ao grau p da curva. O número de vezes que um componente do vetor nodal é duplicado é chamado multiplicidade. Um nó é dito ser de multiplicidade completa se ele é repetido n vezes e simples se o nó é repetido uma vez [29].
Por exemplo, se uma curva NURBS de grau 3 com 7 pontos de controle tem o vetor nodal na forma 0, 0, 0, 1, 2, 3, 4, 4, 4, o vetor nodal é uniforme. Já o vetor 0, 0, 0, 1, 2, 5, 5, 6, 6, 6 é não-uniforme. As letras N e U em NURBS significam Não-Uniforme (non-uniform) e indicam que o vetor nodal numa curva NURBS é permitido ser não-uniforme. Valores duplicados no meio desse vetor fazem com que uma curva NURBS seja menos suave. Um vetor nodal que tenha multiplicidade completa nos seus valores intermediários significa existir um ponto na curva que pode ter uma descontinuidade geométrica (corner). O que ocasiona problemas na geração de superfícies (Figura 2.11) [29].
Figura 2.11: (a) NURBS descontínua, problemática para modelagem de superfícies. (b) Gráfico de curvatura da NURBS evidenciando sua descontinuidade.
Por essa razão alguns projetistas gostam de adicionar e remover nós e então ajustar os pontos de controle para criar curvas suaves. Uma vez que o numero de nós m é igual a (n+p-1), onde n é o numero de pontos de controle, quando se adiciona nós também se adiciona pontos de controle e vice-versa. Nós (knots) podem ser adicionados sem mudar a forma da curva NURBS original. No entanto, quando se removem nós, se altera a forma original da curva [29].
A equação de uma curva recebe um número e atribui a um ponto. A equação de uma curva NURBS é uma equação, que envolve o grau, pontos de controle, e nós (Eq. 2.6).
( )
( )
( )
∑
∑
= = = n i ir i n i ir i i w t N P w t N t C 0 , 0 , Eq. 2.7onde r é a ordem da NURBS, são as funções base B-spline, são os pontos de controle, e é o peso do ponto de controle [25]. De forma similar, para uma superfície B-Spline não-uniforme de grau (r, q) tem-se:
r i N, Pi i w Pi
( )
( )
( )
( )
( )
∑ ∑
∑ ∑
= = = = = m i n j ir jq ij m i n j ir jq i j ij w v N u N P w v N u N v u S 0 0 , , , 0 0 , , , , , Eq. 2.8onde e são as funções base B-spline, são os pontos de controle, e é o peso do ponto [31]. r i N, Ni,q Pi,j wi,j j i P, 2.1.3 Modelagem de sólidos
Desde sua introdução a mais de uma década, os sistemas CAD/CAM que usam modelagem sólida estão cada vez mais populares. No início essa tecnologia era encontrada apenas nas grandes corporações aeroespaciais e automobilísticas. Segundo FARIN, quando a modelagem sólida tornar-se totalmente aceita, ela será hábil a incorporar superfícies e curvas complexas (free-form curves and surfaces) [10]. Nota-se que FARIN estava correto principalmente, pelo que se pode presenciar atualmente nos sistemas CAD/CAM[10].
Como um campo de estudo, área do conhecimento, etc., pode-se dizer que a modelagem sólida é um ponto de convergência de varias outras áreas em desenvolvimento como por exemplo, sistemas para desenho 2D (drafting), sistemas para modelagem de superfícies complexas (free-form surfaces) [32].
Os primeiros esforços para automatizar os sistemas drafting resultaram em sistemas de modelagem wireframe. Eles são considerados a primeira contribuição para criação de sistemas com modelagem de sólido. Nesses sistemas (wireframes) somente as arestas, e vértices dos objetos são representados. Essa é de certa forma uma representação natural, assumindo–se que o objetivo é gerar linhas de desenho de um projeto de engenharia, projetadas em certas direções (gerar vistas ortográficas de um objeto 3D). Infelizmente, podem existir ambigüidades na interpretação nessa forma de representação [32]. Um simples exemplo dessas ambigüidades é mostrado na Figura 2.12.
Representação de sólidos através de wireframe Representação de sólido através de rendering
Figura 2.12: Representação ambígua de um objeto em representação wireframe.
A Figura 2.12 mostra um bloco com um furo chanfrado que passa através do centro. Não é possível deduzir através de uma representação em wireframe qual a direção do furo, desde que ele aparentar ter as três direções principais. Por conta dessas ambigüidades, wireframe não é a representação preferida para objetos 3D. Por outro lado, os objetos representados ocupam pouco espaço de memória podendo ser acessados rapidamente. Wireframe constituem uma forma de visualização satisfatória em muitas situações, e pode fornecer rápidas informações ao projetista. Por essa razão, muitos sistemas ainda oferecem a possibilidade de gerar visualizações em wireframe [32].
Baseados na modelagem sólida, algorítmos podem ser desenvolvidos para algumas aplicações tais como, obtenção de massa e peso de componentes, centro de gravidade, momento de inércia, analises com o método dos elementos finitos, compilação de tecnologia de grupo e planejamento de processos [33].
A integração CAD/CAM está diretamente relacionada à cooperação e colaboração entre essas duas tecnologias presentes no ciclo de vida de um produto. Essa integração é extremamente beneficiada com o uso de modelagem sólida. Um modelo sólido pode ser carregado num ambiente CAM e rapidamente analisado através de algoritmos de reconhecimento de características (features) [33]. Há sistemas que mesmo depois de carregado, o modelo não perde sua ligação com o ambiente de origem (CAD). Essa tecnologia possibilita a rápida atualização de programas CN [34].
As duas formas mais usadas para representação de sólidos são CSG (Construtive Solid Geometry) e B-rep (Boundary Representation). Na representação CSG, o sólido é uma árvore booleana constituída de objetos primitivos (cilindros, cones, esferas e blocos) e operadores booleanos (Figura 2.13). Na representação B-rep, um sólido é modelado através das superfícies que o delimita. Desta maneira o sólido é matematicamente representado explicitamente [33].
A modelagem B-rep possui algumas vantagens sobre a CGS, principalmente no tocante a versatilidade na geração de modelos complexos e na velocidade de verificação de relações topológicas. Isto acontece devido à maneira como o método registra as informações do modelo, armazenando os parâmetros das arestas e faces de forma explícita [35].
Os métodos de modelagem sólida CSG e B-rep são frequentemente combinados para gerar modelos 3D. Cada um desses métodos possui suas limitações, geometrias de difícil modelagem podem ser geradas mais facilmente usando a combinação de ambos os métodos. A maioria dos sistemas modeladores de sólido de grande porte utiliza tanto o método CSG quanto o B-rep [35].
Na literatura, uma característica (feature) é considerada como uma informação de alto nível apropriada para o desenvolvimento de planejamento automático de processos que pode ser diretamente ligada a um sistema CAD [36]. As Features podem ser pensadas como formas primitivas de engenharia com relevância a alguma tarefa de engenharia [35]. O significado técnico de uma feature pode envolver a função para qual ela foi criada, como ela pode ser produzida, que ações a sua presença deve desencadear, que formas de fabricá-las estão disponíveis, etc.
A modelagem por features com os anos vem ganhando espaço principalmente no desenvolvimento de componentes mecânicos. O método permite criar entidades geométricas
simples tais como furos, chanfros, rasgos, etc. A modelagem por features é baseada na idéia de se modelar utilizando blocos de construção (building blocks) [37]. Ao invés de se usar formas analíticas como paralelepípedos, cilindros, esferas e cones como geometria primitiva, o usuário cria modelos do produto usando geometria primitiva de maior nível, portanto, mais relevantes para sua aplicação específica. Esta abordagem faz com que os sistemas de modelagem sólida fiquem mais fáceis de serem utilizados. Entretanto, o conjunto fixo de features oferecido pelos atuais modeladores ainda é limitado fazendo com que as possibilidades do projetista sejam escassas. Essa limitação mostra que as features devem ser adaptáveis aos usuários e que as bibliotecas de features devam ser extensíveis.
Muitas pesquisas têm sido feitas na extração de características de usinagem (machining features) a partir dos contornos de um modelo ou a partir das características (features) de uma peça e a transformação das características de usinagem num processo de usinagem usando regras definidas em processo baseado no conhecimento. Entretanto, a integração baseada na associação ao nível de características (features)-operações não é eficiente como ao nível de peça-processo onde uma peça é diretamente associada com operações de usinagem, e a parâmetros de usinagem [37][38].
GAO (2004) propôs um método para extração de características (features) de usinagem[39]. Segundo ele uma feature é um meio de informação na integração CAD/CAPP/CAM. Existem diferentes pontos de vistas do que seja uma feature. A do projetista CAD que tem uma feature como uma característica de forma relacionada à função do componente, à intenção de projeto ou à metodologia para construção do modelo. A do programador CAM que considera uma feature uma forma geométrica associada a distintas operações de usinagem.
A modelagem sólida paramétrica permite que se criem modelos de produtos com dimensões parametrizadas. As dimensões podem ser ligadas através de expressões
usuários vêm encontrando algumas dificuldades. Principalmente no que se refere às limitações em algumas áreas de geração de superfícies complexas. Essas dificuldades fazem com que os sistemas cada vez mais, estejam incorporando módulos para modelagem de superfícies complexas (Free Form Modeling) [40].
A Tabela 2.1 faz uma síntese das seguintes vantagens da modelagem de superfícies sobre a modelagem de sólidos e vice-versa [40].
Tabela 2.1: Comparativo entre modelagem de superfícies e modelagem de sólidos.
Modelagem de superfícies Modelagem de sólidos Mais flexível na modelagem de geometrias
complexas (manipulação dos pontos de controle)
Fácil de Aprender/usar
Capacidade de modelagem interativa Parametrização e associabilidade dos modelos
Rápida criação e atualização de componentes complexos
Rápida criação e atualização de montagens (assemblies)
Excelente para criação estética e ergonômica de modelos complexos
Excelente para criação de modelos funcionais
2.1.4 Geração de trajetória de ferramenta
O fresamento de componentes de turbinas á gás que envolve superfícies complexas necessita de fresamento em 5-eixos. Essa necessidade é justificada pelo aumento significativo
de eficiência do processo a partir dessa técnica com o uso de poucas, se não uma, fixação, e melhores condições de contato da ferramenta de corte e a peça. Entretanto, os sistemas CAM que possuem módulos para fresamento 5-eixos têm a sua geração de trajetória de ferramenta, ainda muito dependentes do nível de conhecimento e da interação do usuário. Uma das desafiadoras tarefas encontradas na literatura é a geração de trajetórias de ferramentas, livres de erros, sem a interferência e a experiência do programador CAM [41][42][43][44]. Para a geração de trajetória de ferramentas vários métodos têm sido desenvolvidos [45][46]. Os métodos comumente usados podem ser classificados como:
• Métodos iso-paramétricos [47][48][49];
• Métodos iso-planares ou cartesianos [50][51][52];
• Métodos com altura de cristas constante (iso-scallop) [53][54][55][56].
Devido à complexidade geométrica das superfícies dos componentes aqui tratados é difícil obter uma trajetória de ferramenta ótima. Os métodos tradicionais (iso-paramétricos, iso-planares e iso-scallop) iniciam a determinação da trajetória a partir das bordas da superfície. A trajetória adjacente à última é determinada baseada nesta e assim por diante (figura 2.14).
Desta maneira, contanto que uma borda inicial seja selecionada, toda a trajetória da ferramenta é quase que totalmente determinada. Apesar de que os métodos tradicionais considerem a geometria da superfície localmente durante a geração da trajetória, essa consideração é limitada a uma verificação de invasão da superfície pela ferramenta [57][58][41].
Figura 2.14: Geração de trajetória segundo o método isoparamétrico.
Dois critérios são geralmente usados para avaliar as estratégias de corte implementadas nos sistemas CAM. O primeiro preocupa-se com a validade da estratégia e o segundo com a eficiência [48].
[59] sugeriu que a trajetória ótima no fresamento 5-eixos são as que são paralelas às bordas mais longas de uma superfície. MARCINIAK e KRUTH analisaram as direções de corte conjuntamente as propriedades geométricas de superfícies [60][61]. Eles concluíram que a direção ótima de corte acompanha a maior profundidade radial de corte (ae), quando a
trajetória da ferramenta se alinha à curvatura principal de uma superfície. SARMA mostrou que trajetórias adjacentes não são paralelas umas as outras em superfícies complexas [62]. O passo lateral (ae) entre duas trajetórias adjacentes não é necessariamente igual.
O método isoparamétrico para a geração de trajetória leva a vantagem da representação paramétrica da superfície e é o método de geração mais frequentemente utilizado.
Mantendo-se um dos parâmetros constantes, as curvas isoparamétricas são formadas e empregadas para a geração da trajetória de ferramenta [49].
As trajetórias de ferramenta isoparamétricas são frequentemente mais densas em algumas regiões das superfícies do que outras devido à transformação não uniforme entre o espaço paramétrico 2D e Euclidiano [48]. Isso resulta numa distribuição de altura de crista não-uniforme na superfície usinada e tempo de usinagem não otimizado devido aos passes redundantes [63].
No processo CAD/CAM, um objeto sólido é freqüentemente representado por uma combinação de duas ou mais entidades geométricas genéricas. Desta forma, superfícies parametrizadas predefinidas, usualmente estão sujeitas as operações booleanas de trimagem (trimming) ou alargamento (extending). Usualmente, as curvas de intersecção que são resultado das operações booleanas mencionadas (trimming) não coincidem com as curvas isoparamétricas originais. Como resultado, as curvas iso–paramétricas originais não estão mais adaptada às bordas. Consequentemente, quando as superfícies são submetidas a processos de geração de trajetória de ferramenta essa trajetória pode não ser satisfatória [64].
Portanto, a tarefa de reparametrizar superfícies trimadas (trimmed surfaces) é de fundamental importância se essas superfícies estão numa cadeia CAD/CAM. O método de interpolações algébricas ou interpolação bilinear (Coons method) [10][20] e o método de Laplace [64][65] são os dois principais métodos existentes, o primeiro por sua simplicidade e o segundo por resolver alguns problemas do primeiro. Em ambos os métodos, o domínio paramétrico 2D da superfície trimada é reparametrizado num novo domínio paramétrico 2D unitário. Depois trajetórias de ferramentas são geradas de acordo com o novo conjunto de parametrização.
Em teoria, as estratégias principais para fresamento de superfícies complexas em 5-eixos podem ser classificadas em fresamento de topo (com a ponta da ferramenta) e fresamento
Figura 2.15: Pá de turbina Hidráulica fabricada por fresamento 5-eixos [67].
As operações de desbaste definem os processos que possuem as maiores taxas de remoção de material (Q) do bloco inicial no fresamento de impelidores, essas operações definem uma pré–forma dos componentes. Um aumento nas taxas de remoção no desbaste aumenta consideravelmente a eficiência de fabricação componente em sua totalidade. Essas operações podem influenciar não só no tempo mais também na precisão do impelidor nas operações de acabamento. Para tanto, o material residual presente nas superfícies depois do desbaste afetarão o acabamento final das superfícies [68].
Além disso, as superfícies deixadas pelo desbaste influenciam na vida das ferramentas. Se for deixado sobremetal excessivamente nas superfícies, podem ser necessárias operações
de semi–acabamento para evitar danos às ferramentas no acabamento e deixar as superfícies com uma camada de sobremetal constate [68].
Efetivamente, não se tem implementações de rotinas para fresamento de desbaste em 5-eixos simultâneos na maioria dos sistemas CAM [54]. O usual é a utilização de fresamento de posicionamento (fresamento 3+2), neste caso, a ferramenta de corte permanece com a mesma orientação durante a operação, os eixos rotativos são usados somente para o posicionamento da ferramenta com relação a peça de forma a se ter o melhor acesso ao volume de material que vai ser retirado (Figura 2.16) [69].
Figura 2.16: Eixos rotativos usados para posicionamento (desbaste em 3+2 eixos) [69].
Existem muitas estratégias para fresamento de superfícies em 3-eixos, comuns a maioria dos sistemas CAM e que são usadas também no fresamento 3+2. Numa rápida observação dos sistemas CAM presentes no mercado pode-se ver que cada desenvolvedor fornece soluções semelhantes para fresamento em 3+2–eixos [70]. O fresamento por níveis (Z-level), bastante
Figura 2.17:Operação de desbaste do tipo Z-level.
A grande aplicação hoje para o fresamento 5-eixos simultâneos está nas operações de acabamento que são caracterizadas pela pequena quantidade de material retirada da peça e que necessitam de condições de contato entre a ferramenta e a superfície de trabalho constante.
O método de Sturz ou da ferramenta inclinada é o método preferido dos desenvolvedores de aplicações para fresamento 5-eixos. Isso se deve a sua simplicidade computacional relativa aos demais métodos desenvolvidos até então. Nesse método a ferramenta é inclinada num ângulo arbitrário com respeito a normal superfície que está sendo usinada (Figura 2.18) [70].
A grande dificuldade encontrada no método de Sturz é no uso de ferramentas de topo reto e topo reto com raio ou toroidais. Se o ângulo de inclinação da ferramenta for pequeno,
invasões podem acontecer devido à curvatura da superfície. Entretanto, se o ângulo de inclinação for grande as cristas de fresamento se tornam maiores. Isto faz com que o método dependa bastante da experiência do programador. Para resolver esses problemas alguns métodos foram propostos na literatura. Em GRAY podem ser encontradas informações a respeito desses novos métodos para geração da trajetória da ferramenta em 5-eixos [70]. Como os métodos multipontos, eixo principal e eixo principal modificado. Entretanto, esses métodos têm limitações em sua implementação nos sistemas em virtude da falta de robustez e complexidade de implementação nos sistemas CAD/CAM [70][71].
Figura 2.18: Vetores normais são referencias para inclinação da ferramenta
2.1.5 Simulação e verificação de trajetórias
O conceito de manufatura virtual emprega as últimas tecnologias computacionais para reproduzir graficamente os processos de manufatura, incluindo máquinas-ferramenta CNC e operações associadas. As ferramentas para simular o processo de usinagem e verificar a precisão do processo, antes mesmo que essa ordem de serviço esteja na máquina-ferramenta, é o tema desse sub-capítulo.
Figura 2.19: Verificação de trajetória com a retirada dinâmica de material (UG NX3).
Nota-se que a simulação mostrada na Figura 2.19 é, para o caso de fresamento 5-eixos, limitada em virtude de não considerar os componentes da máquina-ferramenta.
Encontram-se na literatura relacionada à manufatura virtual algumas referências aos termos pós-processamento reverso e otimização CN. Os softwares desse gênero, respectivamente interpretam e simulam os códigos CN escritos para uma ampla variedade de controles CNC e particularmente, ajustam as velocidades de avanço e velocidades de corte para reduzir os tempos de usinagem e maximizar o tempo útil de utilização de máquina [74][75].
Avanços recentes na tecnologia dos computadores pessoais e as tecnologias gráficas 3D permitem uma adesão cada vez maior dessas soluções pela indústria de manufatura. Essas soluções estão aptas a detectar e evitar invasões (Gouges) nas peças, erros de programas e colisões de componentes da máquina-ferramenta [72].
a) Verificação CN
Os softwares de verificação CN simulam graficamente o processo de remoção de material pela continua atualização da forma sólida gerada quando a ferramenta move-se ao longo de sua trajetória para produzir a peça final. Os softwares aceitam tanto código ISO ( código G) como APT-CL (Cutter Location) ou outro arquivo de trajetória CAM como entrada e simulam o processo de usinagem como um todo (Figura 2.20) [74].
.
Figura 2.20: Verificação de trajetória de ferramenta sem a retirada dinâmica de material (UG NX3).
Pode-se citar como benefícios a detecção de erros de programas CN ainda na fase CAM da Cadeia CAD/CAM/CNC, como colisões e invasões, eliminação de operações em vazio, que consomem tempo de máquina, reduzindo assim as peças refugadas e os custos totais [75].
Um bom Simulador CN deve fornecer uma animação 3D renderizada (rendering), devido aos movimentos da ferramenta, e gerar uma peça virtual usinada através da simulação
“z-buffer”, que graficamente verifica os resultados de corte, para verificar a usinagem em outra vista, é necessário refazer o cálculo de simulação. Também não é numericamente simples inspecionar os resultados da usinagem.
Conceitualmente, o método baseado em sólidos pode ser um excelente candidato para uma verificação bem precisa com uma inspeção numérica possível, mas ele requer uma carga computacional pesada.
O método baseado em vetores ou modelo de vetores discretos (DVM-Discrete Vector Model) representa a peça sendo usinada como um conjunto de pontos e vetores direção, onde as direções são geralmente os vetores normais nos correspondentes pontos nas superfícies [77]. Os métodos “z-map” [78][79] ou “dexel” [80][81] podem ser vistos como casos especiais de DVM, onde todos os vetores direção estão apontados ao longo da direção z de um sistema de coordenadas cartesiano.
b) Simulação de máquina-ferramenta
Os softwares de simulação de máquinas-ferramenta usam tecnologia gráfica 3D para modelar e animar uma máquina-ferramenta no computador. O software processa entradas como código ISO (código G) e APT/CL e simula todos os movimentos dos componentes da máquina-ferramenta, incluindo, eixos, cabeçotes e ferramentas, para detectar colisões entre quaisquer componentes estáticos ou em movimento (Figura 2.21) [73][80].
Os maiores benefícios são de verificação de possíveis colisões entre todos os componentes da máquina-ferramenta, incluindo cabeçotes, eixos, paletes e mesas, de previsão das operações de usinagem, pela simulação de movimentos de todos os componentes da máquina-ferramenta, dando estimativas de tempo para as operações, o que auxilia no planejamento da produção e validação de novas configurações de pós-processadores. [80][81].
Figura 2.21: Simulação de máquina-ferramenta.
c) Otimização CN
Os softwares de otimização NC analisam os programas NC para ajustar as velocidades de avanço e de corte , e conseqüentemente os esforços que atuam no processo, reduzindo assim os tempos de usinagem [81].
f
v vc
Os softwares analisam os parâmetros de corte tais como profundidade axial de corte (ap),
profundidade radial de corte (ae), volume de material removido (Q), área de contato da
Assim, a otimização CN baseada em simulação física, em contraste com a simulação geométrica fornece melhor controle sob o processo de usinagem, especialmente a processos onde o corte é intermitente. Os parâmetros de corte, tais como, profundidade axial de corte (ap) e profundidade axial de corte (ae) mudam com a posição da ferramenta [83].
A otimização CN deve considerar o caminho da ferramenta (tool path) e os parâmetros de usinagem ao mesmo tempo, especialmente quando se trata de usinagem de superfícies complexas. Alguns trabalhos foram desenvolvidos no sentido de propor uma trajetória de ferramenta com uma estratégia de avanços adaptativos aos esforços encontrados numa usinagem [84][85][86].
2.1.6 Pós-processamento para fresamento 5-eixos
O fresamento de superfícies complexas com mais de 3-eixos precisa de sistemas CAD/CAM para determinação de dados de localização e orientação da ferramenta de corte. Considerando que esses dados são determinados com respeito ao sistema de coordenadas da peça WCS (Work Coodinate System), faz-se necessário a conversão desses dados para o MCS (Machine Coodinate System), sistema de coordenadas da máquina-ferramenta, através de um processo conhecido como pós-processamento CN.
A grande maioria dos sistemas CAD/CAM disponibiliza ao usuário os pós-processadores para os diversos tipos de máquinas 5-eixos. Essa tarefa pode ser efetuada
através de uma série de transformações entre os sistemas de coordenadas nos elementos da máquina, que são similares a braços de robôs [87].
Segundo SAKAMOTO e INASAKI as máquinas-ferramenta 5-eixos comerciais estão classificadas em três grupos (Figura 2.22) [88]. As máquinas tipo (a) tem o fuso com três graus de liberdade (GL) nas direções X, Y, Z e a mesa com dois graus de liberdade (GL) com relação aos eixos rotativos A e C. Esse tipo de máquina-ferramenta é conhecida como a mais econômica, devido que ela pode realizar os cinco GL só pela adição do mecanismo da mesa numa maquina-ferramenta de 3-eixos. A maior vantagem dessa máquina-ferramenta sobre as demais esta relacionada à carga suportada pelo fuso que menor que as demais, já que não é necessário que fuso gire. Entretanto, peças pesadas não se adequam a esse tipo de maquina devido ao grande torque necessário para rotacionar as mesas.
As máquinas-ferramenta do tipo (b) têm o fuso com cinco GL, três de translação e dois de rotação. A maior vantagem desse tipo é que peças pesadas podem ser processadas, desde que a máquina-ferramenta não precisa orientar a peça, mas sim o fuso.
As máquinas-ferramenta do tipo (c) têm o fuso com quatro GL, três de translação e um de rotação, e um GL de rotação na mesa.
Figura 2.22: Classificação de máquinas-ferramenta 5-eixos [88].
LEE e SHE [89] (1997) derivaram equações analíticas de cinemática inversa para a geração de dados NC dos modelos de SAKAMOTO e INASAKI, e SUH et al desenvolveram um programa para movimentos simultâneos de máquinas-ferramenta 5-eixos[88][90]. KRUTH e KELWAIS desenvolveram um programa que simulava o código NC gerado via pós-processamento e modificava os dados CL (Cutter Location) [91].
A aplicação de mecanismos paralelos como essência da construção de uma máquina- ferramenta é o novo conceito no projeto de centros de usinagem multi-eixos. O projeto original de uma máquina-ferramenta de cinemática paralela surgiu da plataforma de STEWART [92]. A plataforma de Stewart foi projetada para ser um simulador de vôo e foi largamente aceita na indústria.
Comparando as máquinas-ferramentas seriais convencionais com uma máquina-ferramenta de articulações paralelas, esta tem muitos vantagens, tais como, forças de corte superiores que podem ser aplicadas nesse tipo de máquina-ferramenta. Sistemas mais rígidos e estáveis são geralmente obtidos com o uso de mecanismos de cadeia fechada. Maior precisão pode ser obtida, já que os erros de posição em cada eixo de movimentação não são acumulados. O custo pode ser reduzido e maiores velocidades de avanço com maiores acelerações podem ser obtidas [93][94].
A indústria tem dado bastante atenção ao desenvolvimento de máquinas-ferramenta de cinemática paralela. Elas são consideradas como sendo uma das principais tendências no desenvolvimento de máquinas-ferramenta. Entretanto, a aplicação real de mecanismos de cinemática paralela em máquinas-ferramenta ainda não foram provados em termos de otimização de eficácia sobre as máquinas-ferramenta tradicionais. Muitas desafios têm ainda que ser superados e explorados. O pós-processamento é uma dos tópicos essenciais que devem ser investigados antes que esses mecanismos possam ser usados em máquinas-ferramenta [95].
2.2 Influências sob o fresamento 5-eixos
As variáveis envolvidas na cadeia CAD/CAM/CNC serão tema desse sub-capítulo com o objetivo de fornecer informações a respeito das especificidades da cadeia para fresamento 5-eixos.
Muitas das características do fresamento 3-eixos podem ser consideradas para o fresamento 5-eixos, como por exemplo: ferramentas de corte para fresamento 3-eixos são perfeitamente aplicáveis no fresamento 5-eixos. Entretanto, algumas características são especificas do fresamento 5-eixos. A definição de todas essas características e o relacionamento entre elas é ilustrada na Figura 2.23.
Figura 2.23: Influências sobre o fresamento 5-eixos.
A precisão de um modelo fresado está relacionada às condições de usinagem, envolvendo deflexões da ferramenta de corte, vibrações durante o processo de usinagem e desvios de trajetória causados pela inércia de movimentação dos eixos, agravando-se quando se com trabalha com altas acelerações e velocidades de avanço [96].
2.2.1 Características de uma máquina ferramenta 5-eixos.
As especificações de projeto para uma máquina-ferramenta segundo BOHEZ podem ser definidas dos seguintes princípios [97]:
• A cinemática deve fornecer flexibilidade suficiente em orientação e posicionamento da ferramenta e da peça.
• Orientação e posicionamento com a maior velocidade e precisão possível; • Rápida troca de peças e ferramentas;
• A maior taxa possível de remoção de material.
O número de eixos de uma máquina-ferramenta normalmente se refere ao número de graus de liberdade (GL) ou o número de movimentos independentes controlados nos barramentos da máquina. A nomenclatura ISO usa um sistema de coordenadas da mão direita, com o eixo da ferramenta correspondendo ao eixo Z [97].
Uma fresadora 3-eixos tem 3 barramentos lineares X, Y e Z que fazem o posicionamento ao longo dos eixos, contanto que não se ultrapasse o limite de cada eixo. O eixo da ferramenta fica fixo durante a usinagem (Figura 2.24-a), o que limita a flexibilidade da orientação da ferramenta, relativa à peça, resultando, num número grande nº de fixações para geometrias complexas.
Para aumentar a flexibilidade da orientação entre a ferramenta e a peça, sem a necessidade de mudança de fixação, mais graus de liberdade devem ser adicionados. Para uma máquina-ferramenta convencional isso pode ser alcançado adicionando-se eixos rotativos, diferentemente dos já usuais eixos de translação (Figura 2.24-b) [98].
Figura 2.24: a) Máquina-ferramenta 3-eixos XYZ no fuso. b) Máquina-ferramenta 5-eixos XYZ no fuso e AC na mesa [98].
Quando os eixos rotativos adicionados são paralelos aos eixos de translação a seguinte nomenclatura é adotada: eixo rotativo paralelo ao eixo de translação X chama-se eixo A, eixo
