Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Mecânica
UMA METODOLOGIA PARA INTEGRAÇÃO
CAD/CAPP/CAM VOLTADA PARA MANUFATURA
REMOTA DE PEÇAS ROTACIONAIS BASEADA NA
INTERNET
ALBERTO JOSÉ ÁLVARES
Tese apresentada como requisito parcial à obtenção
do grau de Doutor. Curso de Pós-Graduação em
Engenharia Mecânica, Área de Fabricação,
Univer-sidade Federal de Santa Catarina.
Orientador: Prof. João Carlos Espíndola Ferreira,
Ph.D.
Universidade Federal de Santa Catarina
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
Departamento de Engenharia Mecânica
UMA METODOLOGIA PARA INTEGRAÇÃO
CAD/CAPP/CAM VOLTADA PARA MANUFATURA REMOTA
DE PEÇAS ROTACIONAIS BASEADA NA INTERNET
ALBERTO JOSÉ ÁLVARES
Tese aprovada como requisito parcial à obtenção do grau de Doutor. Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Área de Fabricação, Universidade Federal de Santa Catarina.
Prof. João Carlos Espíndola Ferreira, PhD. - Orientador
Prof. Dr. José A. Bellini da Cunha Neto - Coordenador do Curso
BANCA EXAMINADORA:
Prof. João Carlos Espíndola Ferreira, Ph.D. - Presidente
Prof. Lourival Boehs, Dr.
Prof. Ricardo José Rabelo, Dr.
Prof. Marcelo Teixeira dos Santos, Dr.
Prof. Osiris Canciglieri, Ph.D.
Ao Departamento de Engenharia Mecânica da UFSC por oferecer as condições necessárias para elab-oração deste trabalho de tese.
À Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia e ao Departamento de Engenharia Mecânica por terem aprovado meu afastamento, o que viabilizou minha dedicação integral ao doutoramento.
Ao Prof. João Carlos Espíndola Ferreira pela orientação e apoio.
Aos Bolsistas do Graco, Magno e Jones, e do Grima, Roman, pela valiosa colaboração na imple-mentação do sistema WebMachining.
Abstract
This thesis describes a methodology for CAD/CAPP/CAM integration for the remote manufacture of cylindrical parts using Internet, especially through the protocols associated with the World Wide Web. This methodology propost specifies the modules of the system, and how these modules interact with each other. Described within this work is the architecture for implementing the integrated system CAD/CAPP/CAMapplied to the remote manufacture of cylindrical parts, consisting of a group of specifications, techniques and algorithms used for the functional definition of the modules of the system.
This work presents a description of the implementation of the WebMachining methodology and system (http://WebMachining.AlvaresTech.com) developed in a context of e-Mfg and Concurrent Engineering, aiming at integrating CAD/CAPP/CAM for the remote manufacturing of cylindrical parts through the Internet.
The methodology and its implementation are conceived starting from the modelling paradigm based on synthesis of design features, in order to allow the integration among collaborative design (WebCADbyFeatures), generative process planning (WebCAPP) and manufacturing (WebTurning).
The system is implemented in a distributed environment of agents (agents’ community), whose architecture is stratified in three layers: design, Process Planning and Production; being adopted Knowledge Query and Manipulation Language (KQML) as the language pattern of messages among the design, process planning and production agents.
In this work a system will be presented, which was developed for the collaborative design of feature-based cylindrical parts through the Internet, integrated with a CAD/CAPP/CAM system, using an approach based on multi-agent systems. The information referring to the features is manipulated through a relational database management system. The Graphic User Interface (GUI) is implemented in Java and HTML.
The main objective of this research is to develop a methodology and the implementation of a sys-tem CAD/CAPP/CAM integrated and intelligent, oriented to production of cylindrical parts through Web. The systems developed starting from this methodology can be applied in the industry and in the academy. In academic applications it can be used in distance teaching in a context of remote labora-tories. In industrial applications it can be used as part of a service of rapid prototyping for try-out of parts or for the supply of functional prototype for the own company or remote customers in a context of telemanufacturing.
The life cycle of the development of the system WebMachining is based on objects-oriented pro-gramming. It was also used the modelling methodology IDEF (IDEF0 and IDEF1X) associated to UML, for designing and implementation of the methodology of the system WebMachining.
Resumo
Esta tese de doutorado apresenta uma metodologia para integração CAD/CAPP/CAM voltada para manufatura remota de peças rotacionais via Internet, em especial os protocolos associados à World
Wide Web, bem como a implementação de um sistema computacional baseado na arquitetura proposta,
que permitiu a validação da metodologia concebida. Esta metodologia, denominada WebMachining (http://WebMachining.AlvaresTech.com), descreve uma arquitetura para implementação do sistema integrado CAD/CAPP/CAM via Web, definindo um arcabouço para um sistema integrado CAD/CAPP/CAMvia Internet.
A metodologia é concebida a partir do paradigma de modelagem colaborativa baseada em síntese por features de projeto, a fim de permitir a integração das atividades de projeto detalhado colaborativo, planejamento do processo e manufatura. Utiliza-se um ambiente distribuído de agentes de softwares interoperáveis denominado de Comunidade de Agentes de Manufatura, sendo sua arquitetura estrati-ficada em três camadas: Projeto, Planejamento do Processo e Fabricação. O fluxo de informações é realizado através do encapsulamento das informações, adotando-se o Knowledge Query and
Manipu-lation Language (KQML) como linguagem de mensagens entre os agentes.
O objetivo principal desta tese é desenvolver uma metodologia e a implementação de um sistema CAD/CAPP/CAMintegrado e inteligente, voltado para fabricação de peças rotacionais via Web. O sistema é inédito no que concerne à abordagem de projeto colaborativo por síntese de features e no processo de fabricação utilizado, sendo voltados para fabricação de peças rotacionais simétricas
(fea-tures concêntricas) e assimétricas (fea(fea-tures não-concêntricas). Inova também na incorporação de
fun-cionalidades associada à teleoperação via Web da máquina-ferramenta CNC permitindo a integração CAD/CAPP/CAMno chão-de-fábrica. O sistema CAPP concebido e implementado utiliza uma nova abordagem de mapeamento de features de projeto para features de torneamento e usinagem, denom-inada de “decomposição orientada ao setup, geometria e operação”, sendo aderente ao STEP-NC, usando uma estrutura de dados semelhante e trabalhando com planos de processos não-lineares.
Os sistemas desenvolvidos a partir desta metodologia poderão ser aplicados na indústria e na academia. Em aplicações acadêmicas poderão ser utilizados em ensino a distância em um contexto de laboratórios remotos. Em aplicações industriais poderão ser utilizados como parte de um serviço de prototipagem rápida para try-out de peças ou para o fornecimento de protótipo funcional para a própria empresa ou clientes remotos em um ambiente de telemanufatura; podendo também ser integrado ao sistema de Gestão da Produção da empresa, fornecendo planos alternativos de processos para o sistema de programação da produção em "tempo real".
O ciclo de vida do desenvolvimento do sistema WebMachining é baseado em técnicas de pro-gramação orientada a objetos. Utilizou-se também a metodologia de modelagem IDEF (IDEF0 e IDEF1X) associada à UML, para projeto e implementação da metodologia do sistema WebMachin-ing.
ABSTRACT v
RESUMO vi
LISTA DE TABELAS xv
LISTA DE FIGURAS xvi
LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS xxiii
Capítulo 1: Introdução
1
1.1 Resumo Orientativo da Tese . . . 2
1.1.1 Questão a Responder . . . 2
1.1.2 Hipótese a Comprovar . . . 2
1.1.3 Objetivos . . . 2
1.1.4 Contexto e Condições de Contorno . . . 3
1.1.5 Enfoque . . . 3
1.2 Formulação do Problema . . . 3
1.3 Oportunidade do Tema . . . 4
1.4 Contribuições do Trabalho . . . 5
1.5 Estrutura do Documento . . . 6
Capítulo 2: Electronic Manufacturing (e-Mfg)
9
2.1 Electronic Manufacturing (e-Mfg) . . . . 92.2 Manufatura Remota . . . 10 2.3 Manufatura Virtual . . . 10 2.4 Trabalho Colaborativo . . . 11 2.4.1 Realidade Virtual . . . 11 2.4.2 Laboratório Virtual . . . 12 2.5 Teleoperação . . . 13 2.6 Teleoperação e o CAM . . . 14 vii
2.7 Taxonomia: Laboratórios Virtuais e Remotos . . . 17
2.8 Comunicação de Dados via Internet . . . 18
2.8.1 O Modelo Cliente-Servidor . . . 18
2.8.2 O Modelo ISO-OSI . . . 19
2.8.3 TCP e UDP . . . 20
2.8.4 Canais de Comunicação . . . 20
2.8.5 O Servidor Inetd . . . 21
2.9 Infra-estrutura de Rede de Alta Velocidade . . . 21
2.10 WWW (World Wide Web) . . . 22
Capítulo 3: Revisão de Literatura: Planejamento do Processo
23
3.1 Projeto Lógico do Plano de Processo . . . 233.2 Planejamento do Roteamento - Macroplanejamento . . . 25
3.3 Planejamento das Operações de Usinagem - Microplanejamento . . . 25
3.4 Determinação do Tipo de Operação . . . 26
3.4.1 Capacidade do Processo e Seus Limites . . . 26
3.4.2 Método para Seleção das Operações de Corte X Tabelas de Roteamento . . . 27
3.4.3 Determinação de Sobremateriais de Usinagem . . . 27
3.4.4 Determinação de Condições de Usinagem e Tempos Padrão . . . 28
3.5 Fixação em um Torno . . . 30
3.6 Planejamento do Processo com Alternativas . . . 31
Capítulo 4: Revisão de Literatura: CAPP e Projeto por Features
33
4.1 Abordagens de Sistemas CAPP . . . 334.1.1 Variante . . . 34
4.1.2 Generativo . . . 34
4.1.3 Semi-generativo ou Híbrido . . . 35
4.2 Integração Projeto e Manufatura Baseada em Features . . . . 35
4.2.1 O Elo de Ligação Entre as Atividades de Projeto e Manufatura . . . 37
4.2.2 Reconhecimento de Features . . . . 38
4.2.3 Mapeamento de Features . . . . 38
4.2.3.1 Projeto com Features de Forma . . . . 38
4.2.3.2 Projeto com Features de Manufatura . . . . 40
4.3 Projeto Por Features . . . . 41
4.3.1 ISO10303-224: Definição de Produto para Planejamento de Processo . . . . 42
4.3.2 ISO10303-48: Features de Forma . . . . 43
4.4 Aderência à Norma ISO 14649 (STEP-NC) . . . 44
4.6 Outros Trabalhos Associados ao Planejamento de Processos . . . 48
4.6.1 Estratégias de Movimentação de Ferramentas e Superfícies Intermediárias . . 48
4.6.2 Seleção da Seqüência de Operações de Usinagem . . . 49
4.7 Ferramentas Computacionais Para CAPP . . . 52
4.7.1 Modelos de Base de Dados . . . 53
4.7.2 Inteligência Artificial . . . 54
4.7.3 Agentes de Software . . . 56
4.7.3.1 Uma Noção Fraca para Agentes . . . 56
4.7.3.2 Uma Noção Forte para Agentes . . . 56
4.7.4 Arquitetura de Agentes . . . 57
4.7.5 Tipologia de Agentes . . . 58
4.7.6 Linguagens de Agentes . . . 59
4.7.7 Objetos e Agentes . . . 61
4.7.8 O Desenvolvimento de Sistemas de Agentes (ou Multiagentes) . . . 62
4.7.9 Qual Modelo de Tomada de Decisão Utilizar ? . . . 62
Capítulo 5: Metodologias e Sistemas CAD/CAPP/CAM Baseados na Web
64
5.1 Introdução . . . 645.1.1 CAD/CAM Colaborativo . . . 65
5.1.2 CAD Colaborativos . . . 66
5.2 Ferramentas CAD com Área de Trabalho Compartilhada . . . 68
5.2.1 WebSpiff (http://www.webspiff.org) . . . 70
5.2.2 CyberCut e WebCAD3D . . . 72
Capítulo 6: WebMachining: Integração CAD/CAPP/CAM Baseada na Web 74
6.1 Metodologia WebMachining . . . 746.2 Arquitetura Multiagente . . . 76
6.3 Sistema WebMachining: Modelagem IDEF0 . . . 80
6.3.1 Atividade WebCADbyFeatures . . . . 80
6.3.2 Atividade WebCAPP . . . 88
6.3.2.1 Abordagem Para Planejamento do Processo . . . 88
6.3.2.2 Metodologia CAPP Para Peças Rotacionais . . . 89
6.3.2.3 Mapeamento de Features de Projeto para Features de Manufatura . 90 6.3.2.4 Operações de Usinagem . . . 94
6.3.2.5 Seqüência de Operações de Usinagem . . . 95
6.3.2.6 Determinação das Condições de Usinagem . . . 96
6.3.2.7 Geração do Programa NC . . . 96
6.4 Modelagem IDEF1X . . . 99
Capítulo 7: Interface CAD-CAPP: CAPP Baseado em Mapeamento de
Fea-tures
103
7.1 Mapeamento de Features . . . 1037.1.1 Decomposição Orientada ao Setup . . . 107
7.1.2 Decomposição Orientada à Geometria . . . 110
7.1.3 Decomposição Orientada à Operação . . . 111
7.2 Determinação das Operações de Usinagem Associadas às Features: Workingsteps . . 114
7.2.1 Grafos E/Ou Para Operações de Desbaste . . . 117
7.2.2 Grafos E/Ou Para Operações de Acabamento e Semi-acabamento . . . 122
7.3 Representação do Plano de Operações Não-Linear por Features de Usinagem: Work-ingsteps . . . 124
7.4 Determinação da Seqüência de Operações:Workplan . . . 125
7.5 Estratégias para Geração de Trajetórias de Ferramentas . . . 130
7.5.1 Faceamento: Desbaste . . . 134
7.5.2 Torneamento Externo e Interno: Desbaste da Direita para Esquerda (Ferra-menta para Esquerda) . . . 134
7.5.3 Torneamento Externo e Interno de Reentrância com Superfície Intermediária à Direita: Desbaste da Direita para Esquerda . . . 137
7.5.4 Torneamento Externo e Interno de Reentrância (Canal Largo) com Superfície Intermediária Triangular à Direita: Desbaste Esquerda para Direita . . . 139
7.5.5 Torneamento Externo e Interno de Reentrância (Canal Largo) com Superfície Cônica à Esquerda: Desbaste Direita para Esquerda . . . 140
7.5.6 Torneamento Externo e Interno de Reentrância (Canal Largo) com Superfície Circular (Côncava ou Convexa) à Esquerda: Desbaste Direita para Esquerda . 141 7.5.7 Torneamento Externo e Interno de Ranhuras: Desbaste Canal Estreito . . . . 143
7.5.8 Torneamento Externo e Interno de Features de Transição: Desbaste Chanfros, Arredondamentos e Filetes: Usinagem Direita para Esquerda . . . 143
7.5.9 Operações de Acabamento: Perfilamento Externo e Interno de Features e Outras Operações . . . 144
7.5.10 Operações de Fresamento e Furação: Eixo C . . . 145
7.6 Determinação das Ferramentas de Corte (Insertos e Suportes) . . . 145
7.7 Modelo de Tempos Para Determinação das Condições de Corte Otimizadas Para Op-erações de Usinagem . . . 149
7.7.1 Formulação do Problema . . . 151
7.7.3 Modelo Matemático Passe Único para Cálculo de Tempos de Usinagem:
Facea-mento e TorneaFacea-mento Cilíndrico Retilíneo, Cônico e Circular . . . 153
7.7.3.1 Modelo Matemático Multi-passe para Tempo de Corte de Perfil Contínuo . . . 155
7.7.3.2 Modelo Matemático Multi-passe para Tempo de Corte de Tornea-mento Longitudinal . . . 160
7.8 Modelos de Otimização de Usinagem Propostos . . . 161
7.8.1 Modelo Baseado no Mínimo Custo . . . 161
7.8.2 Modelo Baseado na Máxima Taxa de Produção . . . 161
7.8.3 Restrições Práticas de Usinagem . . . 162
7.8.4 Metodologia de Otimização . . . 164
7.8.5 Algoritmo Genético . . . 166
7.9 Linearização do Plano de Processos com Alternativas . . . 169
7.9.1 Metodologia de Otimização . . . 169
7.9.2 Algoritmo Genético . . . 172
7.10 Geração do Programa NC (ISO 6983) . . . 172
7.11 Geração da Documentação Final do Plano de Processo Linearizado . . . 176
Capítulo 8: Abordagem Lógica Para CAPP: Métodos e Algoritmos
Conce-bidos
178
8.1 Peça Exemplo: Estudo de Caso . . . 1788.2 Mapeamento de Features de Projeto para Features de Usinagem . . . 178
8.2.1 Decomposição Orientada ao Setup . . . 181
8.2.2 Decomposição Orientada à Geometria . . . 184
8.2.3 Decomposição Orientada à Operações . . . 188
8.3 Determinação dos Workingsteps de Usinagem e de Torneamento com Alternativas . . 190
8.3.1 Macroplanejamento: Algoritmos e Estruturas para Determinação do Rotea-mento . . . 193
8.3.2 Microplanejamento: Algoritmos e Estruturas para Determinação das Oper-ações de Usinagem . . . 194
8.3.3 Montagem dos Turning_workingsteps e Machining_workingsteps . . . 196
8.4 Determinação e Representação da Seqüências de Operações por Setup . . . 197
8.5 Estratégias para Geração de Trajetórias de Ferramentas . . . 197
8.5.1 Primeiro Setup: Setup1 . . . 200
8.5.2 Segundo Setup: Setup2 . . . 200
8.6 Determinação das Ferramentas de Corte . . . 200
8.6.1 Ferramentas Para Torneamento Geral, Sangramento e Rosqueamento . . . . 201
8.8 Determinação das Condições de Usinagem com Algoritmos Genéticos . . . 206
8.8.1 Determinação das Propriedades, Coeficientes e Constantes do Modelo de Otimização . . . 206
8.8.2 Primeiro Estágio . . . 208
8.8.3 Segundo Estágio . . . 212
8.8.4 População Inicial de (n+1) Passes . . . 213
8.9 Linearização do Plano de Processos com Alternativas (Workplan) . . . 215
8.10 Geração do Código G e Plano de Processo . . . 218
Capítulo 9: Projeto Colaborativo: WebCADByFeatures
221
9.1 Introdução . . . 2219.2 Arquitetura Multiagente Para Projeto Colaborativo . . . 223
9.3 Modelagem da Informação . . . 223
9.3.1 WebCADbyFeatures: Modelagem Conceitual da Informação . . . 223
9.3.2 WebCADbyFeatures: Modelagem Física - MySQL . . . 224
9.4 Sistema Computacional WebCADbyFeatures . . . 225
9.5 Modelagem Colaborativa . . . 230
9.6 Discussão . . . 232
Capítulo 10: Planejamento do Processo Não-Linear: WebCAPP
237
10.1 Introdução . . . 23710.2 Implementação Computacional do WebCAPP . . . 239
10.2.1 Via Servlet . . . 239
10.2.2 Via Applet . . . 239
10.3 Discussão . . . 241
Capítulo 11: Teleoperação Centro de Torneamento: WebTurning
246
11.1 Introdução . . . 24611.2 Arquitetura WebTurning . . . 247
11.3 Interface com o Usuário WebDNC: GUI Cliente-Servidor . . . 248
11.4 Funções FOCAS1/Ethernet Para Teleoperação do Centro de Torneamento . . . 250
11.5 Servidor WebDNC . . . 250
11.6 Servidores de Vídeo e Áudio: WebCam . . . 252
11.7 Discussão . . . 254
Capítulo 12: Estudos de Casos: Peças Exemplos
256
12.1 Introdução . . . 25612.2 Peças Jogo de Xadrez . . . 257
12.2.1 WebCADbyFeatures . . . 257
12.2.2 WebCAPP . . . 258
12.2.3 WebTurning . . . 263
12.3 Peça com Tolerâncias . . . 263
12.3.1 WebCADbyFeatures . . . 263 12.3.2 WebCAPP . . . 267 12.3.3 WebTurning . . . 267 12.4 Peça Romi . . . 267 12.4.1 WebCADbyFeatures . . . 267 12.4.2 WebCAPP . . . 271 12.4.3 WebTurning . . . 271 12.5 Peça Complexa . . . 271 12.5.1 WebCADbyFeatures . . . 271 12.5.2 WebCAPP . . . 277 12.5.3 WebTurning . . . 277 12.6 Peça Espelho . . . 280 12.6.1 WebCADbyFeatures . . . 280 12.6.2 WebCAPP . . . 280 12.6.3 WebTurning . . . 280
Capítulo 13: Conclusões
283
13.1 Contribuições do Trabalho . . . 28313.2 Implementação Computacional WebMachining . . . 285
13.2.1 WebCADbyFeatures . . . 286
13.2.2 WebCAPP . . . 287
13.2.3 WebTurning . . . 287
13.3 Sugestões para Trabalhos Futuros . . . 287
Apêndice A: Publicações e Projetos Associados à Tese
290
Apêndice B: URLs Associadas à Metodologia WebMachining
292
B.1 Metodologia Para Teleoperação Via Web . . . 292B.2 Metodologias IDEF . . . 292
B.3 Modelagem Física e Conceitual do Banco de Dados MySQL . . . 292
B.3.1 Modelagem Conceitual . . . 292
B.4 Biblioteca de Features . . . 293
Apêndice C: Modelos Matemáticos Para Otimização
294
C.1 Modelos Matemáticos para Cálculo de Tempos de Usinagem . . . 294C.1.1 Modelo Matemático Multi-passe para Tempo de Corte de Sangramento, Corte de Peças e Faceamento . . . 294
C.1.2 Modelo Matemático Passe Único para Tempo de Corte de Recartilhamento . 295 C.1.3 Modelo Matemático Passe Único para Tempo de Corte de Furação e Alarga-mento . . . 295
C.1.4 Modelo Matemático Passe Único para Tempo de Corte de Rosqueamento Cilíndrico . . . 296
C.2 Modelos de Otimização de Usinagem Propostos . . . 296
C.2.1 Modelo Baseado no Mínimo Custo . . . 296
C.2.2 Modelo Baseado na Máxima Taxa de Produção . . . 299
Apêndice D: Ciclo de Vida do Software WebMachining Modelado em UML300
D.1 Introdução . . . 300 D.2 WebCADbyFeatures . . . 301 D.2.1 Use-Case Diagram . . . 302 D.2.2 Activity Diagram . . . 302 D.2.3 Modelo Estático . . . 302 D.2.4 Modelo Dinâmico . . . 305 D.2.5 Implementação do WebCADbyFeatures . . . 305 D.3 WebCAPP . . . 305D.3.1 Decomposição Orientada ao Setup . . . 308
D.3.2 Decomposição Orientada à Geometria . . . 308
D.3.3 Decomposição Orientada à Operação . . . 309
D.3.4 Geração do Código G . . . 309
D.3.5 Modelo Estático: Class Diagrams . . . 310
D.4 WebTurning . . . 313
4.1 Algumas linguagens de desenvolvimento de diferentes aplicações baseadas em agentes
(JENNINGS, 1994). . . 60
4.2 Troca de mensagens utilizando KQML. . . 61
7.1 Operações de usinagem modeladas na decomposição orientada à operação. . . 113
7.2 Classificação das features reconhecidas pelo método. . . 115
7.3 Tabela montagem cromossomo associado ao algoritmo genético. . . 168
8.1 Tabela Workingsteps de torneamento e usinagem (WID). . . 192
8.3 Operações de usinagem modeladas na decomposição orientada à operação. . . 202
8.4 Condições de usinagem para passe simples em operações de acabamento, considerando um comprimento de corte de 60,1 mm (L). . . 208
8.5 Condições de usinagem para passe simples em operações de desbaste, considerando um comprimento de corte de 60,1 mm (L). . . 209
8.6 Faixa de avanços máximos recomendado pela SANDVIK(2003) em relação ao raio de ponta do inserto. . . 209
8.7 Possibilidades de apse apr para a peça exemplo: apr=12,5−aps 4 . . . 213
8.8 População inicial de cromossomos, função fitnes, valor esperado e valor real baseado no método da roleta (probabilidade de um indivíduo ser melhor que outro). . . 214
8.9 Operadores de reprodução e crossover com probabilidade de 80%. . . 214
8.10 Operador de mutação com probabilidade de 80%. . . 215
8.11 Tabela Workingsteps para linearização Workplan (WID). . . 216
8.12 Matriz adjacente relativa ao tempo de troca de setup entre Workingsteps(WID). . . . 217
12.1 Features presentes nas peças estudadas. . . 257
12.2 Ferramentas Sandvik disponíveis no Galaxy 15M. . . 257
D.1 Use-cases para os três sub-sistemas do ambiente integrado WebMachining. . . 301
2.1 Arquitetura Cliente/Servidor. . . 19
3.1 Tipos de placas utilizadas (HUANG, 1988): estilo 1, 2, 3 e 4. . . 31
4.1 Abordagem de criação de features utilizando projeto por features (SHAHe MANTYLA, 1995). . . 42
4.2 Estrutura de modelo de dados para STEP-NC representada por um diagrama Ex-press_G (ISO 14649 - PART 1, 2003). . . 45
4.3 Tipos de controladores aderentes à STEP-NC (SUHet al. 2002). . . 46
4.4 Modelo de features representado por segmentos cilíndricos e cônicos, modelo 2D representado por arestas e fixação da peça (SHAHe MANTYLA, 1995). . . 50
5.1 Arquitetura do Sistema WebSpiff. . . 71
5.2 Arquitetura do sistema WebCAD3D (Cybercut). . . 72
6.1 Camadas da arquitetura multiagente MAC. . . 76
6.2 Arquitetura Multiagente WebMachining. . . 78
6.3 Diagrama IDEF0: WebMachining nível A0. . . 81
6.4 Diagrama IDEF0: principais atividades do sistema WebMachining. . . 82
6.5 Diagrama IDEF0: Atividades WebCADbyFeatures. . . . 84
6.6 Componentes GUI. . . 85
6.7 Taxonomia de features de forma utilizada (CAM-I, 1986). . . 86
6.8 Diagrama de classes para Projeto. . . . 87
6.9 Diagrama IDEF0: Atividades CAPP. . . 91
6.10 Diagrama IDEF0: sub-atividades do WebCAPP associadas ao mapeamento de fea-tures de projeto para feafea-tures de manufatura. . . . 93
6.11 Árvores de decisão para features concêntricas baseada em HUANG(1988). . . 96
6.12 Diagrama IDEF0: Atividades CAM. . . 98
6.13 Modelagem da informação de algumas features de forma utilizadas através da metodolo-gia IDEF1X. . . 100
6.14 Diagrama de classes para features de tolerâncias. . . 101
6.15 Diagrama de classes para tecnologia de usinagem (recursos de manufatura). . . 102 xvi
7.1 (a) Diferença de forma entre features de projeto e features de usinagem (b) Features de usinagem em função do setup (YANG ELEE, 1998). . . 106
7.2 Grafo e/ou setup: alternativas para setup da peça quando Lpeca
Dpeca > 4. . . 108
7.3 Grafo e/ou setup: alternativas para setup da peça quando Lpeca
Dpeca < 2. . . 108
7.4 Grafo e/ou setup: alternativas para setup da peça quando 2 ≤ Lpeca
Dpeca ≤ 4. . . 109
7.5 Poliforma fechada representando o perfil 2D da peça bruta e peça acabada. . . 111 7.6 (a) Ferramentas: direita para esquerda, esquerda para direita e neutra (CHANG et al.,
1998) (b) Operações mais usuais em peças de revolução (MAZIEROe NASCIMENTO,
2003) (c) métodos de usinagem de canal/reentrância (YANG ELEE, 1998). . . 112
7.7 Um exemplo do procedimento associado a uma árvores de decisão (HUANG, 1988),
apresentando alternativas de volumes e operações de usinagem para features concên-tricas. . . 114 7.8 Grafo E/OU apresentando alternativas de usinagem para feature do tipo OD (Diâmetro
Externo) cilíndrica/retilínea. . . 117 7.9 Grafo E/OU apresentando alternativas de usinagem para feature do tipo OD (Diâmetro
Externo) cônica para dentro (cut-in). . . 118 7.10 Grafo E/OU apresentando alternativas de usinagem para feature do tipo OD (Diâmetro
Externo) cônica para fora (cut-out). . . 118 7.11 Grafo E/OU apresentando alternativas de usinagem para feature do tipo canal estreito. 118 7.12 Grafo E/OU apresentando alternativas de usinagem para feature do tipo canal largo,
reentrância, com as duas faces perpendiculares. . . 119 7.13 Grafo E/OU apresentando alternativas de usinagem para feature do tipo canal largo,
reentrância, com uma face perpendicular à esquerda e uma superfície cônica a direita, para dentro da peça (cut-in). . . 120 7.14 Grafo E/OU apresentando alternativas de usinagem para feature do tipo canal largo,
reentrância, com uma face perpendicular à direita e uma superfície cônica à esquerda, para fora da peça (cut-out). . . 120 7.15 Grafo E/OU apresentando alternativas de usinagem para feature do tipo face. . . 121 7.16 Grafo E/OU apresentando alternativas de usinagem para feature do tipo chanfro. . . . 121 7.17 Grafo E/OU apresentando alternativas de usinagem para feature do tipo filete ou
arredondamento. . . 122 7.18 Grafo E/OU apresentando alternativas de usinagem para feature ID. . . 122 7.19 Grafo E/OU apresentando alternativas de usinagem para perfil com features OD e ID
cilíndricas. . . 123 7.20 Grafo E/OU apresentando alternativas de usinagem para feature do tipo Perfil Externo
para fora e para dentro com reentrância (cut-in). . . 123 7.21 Grafo E/OU apresentando alternativas de usinagem para feature do tipo Perfil Interno
7.22 Grafo E/OU apresentando alternativas de usinagem para feature do tipo perfil para fora (cut-out) e para dentro (cut-in) com filetes para superfícies internas e externas. . 125 7.23 Exemplo de peça STEP-NC (2003): (a) Geometria da peça (b) lista de workingstep,
(c) grafo E/OU, (d) lista da estrutura de dados para operações de usinagem. . . 126 7.24 (a) Relação de features de usinagem por setup para operações de desbaste,
semi-acabamento e semi-acabamento (b) Tabela de relacionamentos por setup mostrando a pre-cedência de features de usinagem (c) Matriz Adjacente por setup. . . 127 7.25 Opções de Workingsteps: features de usinagem, operações de usinagem
representa-dos no formato de Matriz Operações Teóricas: operação, tempo e custo teórico da operação (TP), precedência (prioridade) e seqüência final de execução de workingstep. 130 7.26 Geração lógica do caminho de ferramenta para torneamento (SHAH e MANTYLA,
1995) destacando estratégias para movimentação de ferramenta da esquerda para di-reita (1, 2, 3, 8 e 9) e da didi-reita para esquerda (4 e 5) nas operações de desbaste e de acabamento (perfilamento). . . 132 7.27 Trajetória de ferramenta para perfil cônico e convexo: corte paralelo x corte bi-axial. 141 7.28 Caminho de ferramenta para desbaste de ranhura. . . 143 7.29 Caminho da ferramenta para desbaste de features de transição: chanfro,
arredonda-mento e filete, respectivamente. . . 144 7.30 Caminho da ferramenta para acabamento: operação de perfilamento (movimento
bi-axial) com ferramenta para esquerda e torneamento com ferramenta para direita (di-reção do avanço). . . 145 7.31 Modelo de usinagem multi-passe (CHEN e SU, 1998): (a) trajetória da ferramenta
para dois estágios de desbaste e um passe de acabamento (b) Modelo interpolação circular (c) Modelo interpolação linear. . . 153 7.32 ToolBox Algoritmo Genético do MatLab: utilizado na determinação das condições
de usinagem otimizadas. . . 168 7.33 (a) Entidades associadas à representação de planos de processos não-lineares segundo
STEP-NC (Part 10), em Express-G. . . 169 7.34 Workplans alternativos e workingsteps associados, onde os valores das células estão
associados ao custo ou tempo relativo à operação de usinagem. . . 171 7.35 Exemplo: (a) peça (b) features de usinagem e operações (c) grafo de precedência de
workingsteps (d) matriz de setup de workingstep (e) strings (f) operador crossover (g)
operador de mutação. . . 173 7.36 Documentação final do plano de processo linearizado em XML. . . 177 8.1 Peça exemplo em 2D e 3D sendo constituída por 39 features de forma do tipo OD, ID,
canal, face, arredondamento e chanfro, modelado pelo sistema WebCADbyFeatures. 179 8.2 Posicionamento das linhas delimitadoras (LDs) em antes de depois das features F6 e
8.3 Roteamento para o Setup1 e Setup2 da peça exemplo, relacionando as features de
projeto (F1 - F39), sendo representado na ordem inversa. . . 189
8.4 Volumes de usinagem associados à peça exemplo1. . . 191
8.5 Grafo E/OU de workingsteps associado à peça exemplo. . . 193
8.6 Grafo de precedência de features de usinagem associado aos Workingsteps. . . 198
8.7 Definição Zero Peça (ZP) no Setup1, peça exemplo. . . 200
8.8 Chaves de código do porta-ferramenta DDJNR/L (SANDVIK, 2003). . . 202
8.9 Páginas HTML da Sandvik utilizada para pesquisar as condições de usinagem para operações de acabamento e desbaste. . . 207
8.10 Código G gerado para a peça exemplo. . . 220
9.1 Janela principal do WebCADbyFeatures, apresentando o perfil de uma peça rota-cional em 2D. A peça é constituída por 29 features, incluindo features do tipo OD, ID, Face, Groover, Splines, entre outras. É apresentado sólido VRML correspondente, gerado pelo sistema. . . 222
9.2 Resumo da modelagem UML da biblioteca de features. . . 224
9.3 As três camadas do acesso ao banco de dados. . . 225
9.4 Arquitetura computacional WebMachining: módulos do sistema WebCADbyFeatures. 225 9.5 Acesso ao sistema WebCADbyFeatures (http://WebMachining.AlvaresTech. com). . . 227
9.6 Etapas da geração da peça no CAD: a) Janela de Opções (Options); b) Janela de dados de um novo projeto (New Project); c) Janela de dados do blank barra sólida (SolidBar); d) Janela de opções de modelagem (Modelling Options). . . 228
9.7 Modelagem da feature de Eixo C padrão de furos axial. . . 230
9.8 Interface WebCADbyFeatures: 2D e VRML. . . 231
9.9 Inteface do cliente para projeto colaborativo: "WebCADbyFeatures Collaborative De-sign IPLayre Router Client", apresentando o painel "Register". . . 231
9.10 Interface do cliente para projeto colaborativo: Request do Agent de Interface "Al-vares" no servidor Router do ambiente JATLite. . . 232
9.11 Modelagem colaborativa entre os agentes "Alvares" e "jones". Agente "Alvares" en-via modelo por features para agente "jones". . . 233
9.12 Modelagem colaborativa entre os agentes "Alvares" e "jones". Agente "Alvares" re-cebe o modelo por features do agente "jones", após efetuar as alterações no modelo de features. . . 233
10.1 Normalização das features de projeto. . . 238
10.2 Decomposição orientada à geometria. . . 238
10.3 Plano de processo linearizado e programa NC gerado pelo WebCAPPServlet em XML. 240 10.4 Simulação do programa NC capturado pelo sistema de processamento de imagens WebCam do sistema WebDNC. . . 240
10.5 Resultado da atividade de decomposição orientada ao setup, geometria e operação
gerado pelo sistema WebCAPPApplet, sendo a peça constituída por 29 features. . . . 242
10.6 a) Lista de Workingsteps; b) grafo E/OU. . . 243
10.7 Programa NC gerado pelo sistema WebCAPPapplet. . . 243
11.1 Arquitetura detalhada: módulos do sistema WebTurning. . . 247
11.2 Hardware: placa ethernet, protocolo e API FOCAS1/DNC1 (Fanuc, 2003). . . 248
11.3 Biblioteca DLL FOCAS1/DNC1:fluxo de dados (Fanuc, 2003). . . 249
11.4 WebDNC: teleoperação e monitoramento remoto do centro de torneamento Galaxy 15M (http://WebDNC.graco.unb.br). . . 249
11.5 Arquitetura, fluxo de dados e algumas funções disponibilizadas pelo WebTurning. . . 251
11.6 Sistema de monitoração por imagem WebCam (NetCam), constituído por quatro ap-plets, que monitoram a tela do CNC, o interior da máquina e o exterior. . . 253
12.1 Modelagem torre utilizando feature Eixo C e o VRML associado às features concên-tricas. . . 258
12.2 Modelagem bispo utilizando feature ODconvex e o VRML associado às features con-cêntricas. . . 259
12.3 Modelagem do cavalo utilizando feature Eixo C e o VRML associado às features concêntricas. . . 259
12.4 Modelagem do peão utilizando feature spline e o VRML associado às features con-cêntricas. . . 260
12.5 Modelagem rainha e duas visões do VRML associado às features concêntricas. . . . 260
12.6 Modelagem do rei e VRML associado às features concêntricas. . . 261
12.7 Procedimento de normalização realizado pelo WebCAPP identificando as features de projeto que serão mapeadas. . . 262
12.8 Decomposição orientada ao setup com a identificação das features de fixação, super-fícies delimitadoras e features de Eixo C. . . 263
12.9 Decomposição orientada à geometria. . . 264
12.10Decomposição orientada à operação. . . 265
12.11Programa NC gerado para a peça torre. . . 266
12.12Simulação dos programas NC no CNC do Galaxy 15M para as peças rei e torre. . . . 267
12.13Simulação dos programas NC no CNC do Galaxy 15M para as peças bispo, cavalo, peão e rainha. . . 268
12.14GUI WebDNC mostrando a fabricação da torre e realizando o upload do arquivo NC da peça rei para o Galaxy 15M. Também são apresentadas simulações e imagens da usinagem. . . 269
12.15GUI WebDNC mostrando a usinagem do bispo e do cavalo. . . 269
12.16GUI WebDNC mostrando a usinagem do peão e da rainha e telas associadas ao down-load e updown-load de programas NC. . . 270
12.17Peças do jogo de xadrez usinadas pelo Galaxy 15M. . . 270
12.18Detalhes das peças torre e rainha. . . 271
12.19Modelagem de peça com features de tolerâncias de cilindricidade e features de refer-ências A e M e os VRMLs associados. . . 272
12.20Simulação dos programas NC no CNC do Galaxy 15M para a peça tolerância no Setup1 e Setup2. . . 273
12.21GUI WebDNC realizando a monitoração da usinagem da peça tolerância. . . 273
12.22Features externas da peça tolerância. . . 274
12.23Features internas da peça tolerância, lado esquerdo e lado direito. . . 274
12.24Modelagem da peça romi constituída por features concêntricas e não-concêntricas, e os modelos VRMLs associados destacando-se a rosca métrica e os canais. . . 275
12.25Simulação dos programas NC no CNC do Galaxy 15M para a peça romi no Setup1 e Setup2. . . 275
12.26GUI WebDNC realizando a monitoração da usinagem da peça romi. . . 276
12.27Detalhes features internas e externas da peça romi. . . 276
12.28Features externas (lado esquerdo e direito) da peça romi. . . 277
12.29Modelagem da peça complexa com features de Eixo C, padrão de furos Axial, asso-ciada à feature de face F18. . . 278
12.30Modelagem VRML da peça complexa apresentando as features concêntricas em wire-frame e isométrica. . . 278
12.31Simulação dos programas NC no CNC do Galaxy 15M para a peça complexa no Setup1 e Setup2. . . 279
12.32GUI WebDNC realizando a monitoração da usinagem da peça complexa. . . 279
12.33Features externas e internas da peça complexa. . . 280
12.34Modelagem da peça espelho hiperbólico aproximada por spline e o VRML associado. 281 12.35Simulação do programa NC no CNC do Galaxy 15M para a peça espelho hiperbólico modelada por spline. . . 281
12.36GUI WebDNC realizando a monitoração da usinagem da peça espelho. . . 282
12.37Peça espelho usinada. . . 282
C.1 Modelo de trajetória de ferramenta para sangramento (SANDVIK, 2003). . . 294
D.1 Diagrama Use-Case do WebCADbyFeatures. . . 302
D.2 Diagrama de Atividade do WebCADbyFeatures. . . 303
D.3 Diagrama de Atividade do projeto colaborativo. . . 303
D.4 Diagrama Estático WebCADbyFeatures. . . 304
D.5 Diagrama de classe (modelo estático) para a classe ODStraight (super classe Fea-ture e pacote feaFea-tures) e seu relacionamento com as demais classes e pacotes Web-CADbyFeatures. . . 304
D.6 Modelo estático para a classe CADAgentFrame (pacoteProtocolLayer.Example. CAD)associado ao JATLite (projeto colaborativo, agente de interface) e seu relaciona-mento com as demais classes e pacotes WebCADbyFeatures. . . 306 D.7 Diagrama de Seqüência para use-case de inserção de uma feature qualquer do
Web-CADbyFeatures. . . 307 D.8 Component and Deployment Diagrams do WebCADbyFeatures. . . 307 D.9 Use-Case do WebCAPP. . . 307 D.10 Use-Case decomposição orientada ao setup. . . 308 D.11 Use-case decomposição orientada à geometria. . . 309 D.12 Use-case decomposição orientada à operação. . . 310 D.13 Diagrama de classe principal (pacotes) associado ao módulo WebCAPP e
relaciona-mento com demais pacotes. . . 311 D.14 Diagrama de classe Workingstep que é composto pelas classes FeatureDeUsinagem e
OperaçãoDeUsinagem. . . 312
D.15 Diagrama de classe FeatureDeUsinagem. . . 312 D.16 Diagrama de classe OperacaoDeUsinagem e seus relacionamentos com as classes
FerramentaUtilizada e TecnologiaDeUsinagem. . . . 313 D.17 Diagrama de classe CodigoG e seus relacionamentos com as classes
FerramentaUti-lizada, Maquina e InfoDecomposicaoOrientadaAOperacao. . . 314
D.18 Diagrama de classe EncontrandoSuperficiesDelimitadoras e seus relacionamentos com a classe InfoDecomposicaoOrientadaAOperacao. . . 315 D.19 Diagrama de classe principal (pacotes) associado ao módulo NetCam e
relaciona-mento com demais pacotes, que permite a visualização de vídeo e imagens em tempo real e vídeo gravado do chão-de-fábrica (GUI NetCAM). . . 315 D.20 Modelo estático (diagrama de classes) para a classe NetCAMAVI (pacotecom.
AlvaresTech.NetCAM) e seu relacionamento com as demais classes e pacotes do módulo WebCam, que permite a gravação de vídeo em formato .avi. . . 316
CAD Projeto Auxiliado por Computador 1
CAPP Planejamento de Processo Auxiliado por Computador 1
CAM Manufatura Auxiliada por Computador 1
GUI Interface Gráfica do Usuário 2
CIM Manufatura Integrada por Computador 2
B2B Business to Business 2
B2C Business to Costumer 2
WWW World Wide Web - Rede Mundial de Computadores 3
CNC Comando Numérico Computadorizado 3
KQML Knowledge Query and Manipulation Language 3
TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol 6
IDEF Integration Definition for Function Modeling 8
IDEF0 Integration DEFinition language 0 8
IDEF1X Integration Definition for Information Modeling 8
NC Comando Numérico 10
ERP Planejamento dos Recursos da Empresa 10
RV Realidade Virtual 11
FTP File Transfer Protocol 14
HTTP Hypertext Transfer Protocol 14
DNC Comando Numérico Distribuído 15
MRP Planejamento dos Recursos de Materiais 16
CAPPC/CAP Planejamento e Controle da Produção Auxiliado por Com-putador
16
DXF Data Exchange Format 17
IGES Initial Graphics Exchange Specification 17
HTML Hiper Text Markup Language 18
CGI Comun Gateway Interface 18
HTTP Hypertext Transfer Protocol 19
OSI Open System Interconnection 19
ISO International Organization for Standardization 19
UDP User Datagram Protocol 20
VRML Virtual Reality Modeling Language 22
PNs Rede de Petri 32
AI Inteligência Artificial 35
STEP Standard Exchange of Product Model Data 38
PDES Product Data Exchange using STEP 38
CSG/DSG Constructive/Destructive Solid Geometric 40
ADDL Linguagem de Descrição de Projeto 41
FDL Linguagem de Descrição Funcional 41
PDGL Linguagem Gráfica para o Projeto de Peças 41
CSG Constructive Solid Geometric 41
PSG Gráfico de Seqüência de Processo 45
SNLP Systematic NonLinear Planning 52
DAI Inteligência Artificial Distribuída 55
MAS Sistemas MultiAgentes 55
ACL Linguagem de Comunicação de Agentes 56
FIPA-ACL Foundation for Intelligent Physical Agents - Agents Comu-nication Language
60
KIF Knowledge Interchange Format 60
FIPA-CLL FIPA Content Language Library 60
FIPA-SL FIPA Semantic Language 60
FIPA-DRF FIPA Resource Description Framework 60
FIPA-CCL FIPA Constraint Choice Language 60
SQL Structured Query Language 62
JATLite Java Agent Template Lite 63
AMR Agent Message Router 63
Jade Java Agent DEvelopment Framework 63
CORBA Commom Object Request Broker Architecture 67
API Aplication Protocol Interface 71
Vc velocidade de corte 152
f avanço 152
ap profundidade de corte 152
FOCAS1 Fanuc Open CNC API Specifications 222
VOIP Voice Over Internet Protocol 236
1 Caminho de ferramenta para faceamento (torneamento transversal). . . 135 2 Caminho de ferramenta para desbaste torneamento longitudinal da direita para esquerda.136 3 Algoritmo para determinação do caminho de ferramenta para desbaste de reentrância
em torneamento longitudinal da direita para esquerda. . . 138 4 Algoritmo para determinação do caminho de ferramenta no torneamento, desbaste da
esquerda para direita em uma superfície intermediária. . . 139 5 Programa em Java para construção de blocos em código G. . . 175 6 Principais passos para implementação do WebCAPP. . . 179 7 Algoritmo para decomposição orientada ao setup. . . 181 8 Algoritmo para definição do número de fixações da peça. . . 181 9 Algoritmo para definir candidatas à superfícies de fixação (features internas e
exter-nas) para o Setup1 e Setup2. . . 183 10 Algoritmo para agrupamento de features no Setup1 e Setup2. . . 184 11 Algoritmo para determinação das linhas delimitadoras (LD) e agrupamento de features.185 12 Algoritmo para detecção de features secundárias, para evitar seu uso como superfície
de fixação no Setup2. . . 186 13 Estrutura para algoritmo macroplanejamento. . . 193 14 Algoritmos para atividade de macroplanejamento de operações de usinagem. . . 194 15 Estruturas para microplanejamento de operações de usinagem. . . 195 16 Estruturas para microplanejamento de operações de usinagem. . . 196 17 Estrutura Workingstep. . . 197 18 Estratégia para movimentação de ferramenta associada aos Workingsteps utilizando
ciclos fixos. . . 199 19 Cálculo de tempos para Workingsteps baseado na área de usinagem da feature de
torneamento. . . 206 20 Fluxograma apresentando algoritmo genérico para otimização das condições de
usi-nagem. . . 211 21 Fluxograma detalhado para seleção de condições de usinagem para passe simples: a)
operações de desbaste b) operações de acabamento. . . 212 22 Fluxograma determinação de movimentação de ferramenta baseado em ciclo fixo ou
movimentação manual. . . 218 xxvi
Introdução
A globalização tem afetado diretamente as empresas, os consumidores e as economias dos países, provocando a introdução de novos modelos organizacionais, levando em conta a gestão da produção e o fluxo de informação, para diminuir o tempo de resposta em relação à demanda de mercado. O rápido desenvolvimento da Internet tem facilitado a comunicação no âmbito da manufatura, criando novas possibilidades e oportunidades para aumentar a eficiência deste processo, diminuindo o tempo de reação às demandas e oscilações do mercado.
Componentes e produtos variados e de boa qualidade, fabricados em diferentes países, têm sido disponibilizados às pessoas em qualquer parte do mundo, muitas vezes a preços iguais ou inferi-ores aos produtos nacionais. A Internet tem contribuído significativamente para a globalização, pois ela permite uma comunicação mais rápida entre pessoas e também empresas. Uma prova disto é a quantidade de recursos que têm sido gastos no comércio eletrônico. Analistas estimam que em 1999 o
business to costumer (B2C) girou em torno de US$ 17 bilhões, e o business to business (B2B) em US$
68 bilhões (POMBO, 1999). Além da venda de itens como carros, jóias e livros através da Internet,
esta tecnologia tem sido utilizada com sucesso em outras atividades importantes, como a manutenção remota de equipamentos (ROCKWELL, 2002) e a telecirurgia efetuada por um robô comandado
remo-tamente por um cirurgião localizado à centenas de quilômetros de distância (SCIENTIFICAMERICAN,
2000).
Esta tese de doutorado tem como tema a proposição de uma nova metodologia de integração CAD/CAPP/CAMvoltada para manufatura remota de peças rotacionais utilizando a Internet, em es-pecial os protocolos associados à World Wide Web, visando a aplicação e domínio de ferramentas relacionadas à Internet, bem como a implementação de um sistema computacional. O sistema denom-inado WebMachining irá disponibilizar as funções para modelagem de produto colaborativo (Web-CADbyFeatures), Planejamento de Processo Auxiliado por Computador Generativo (WebCAPP) e de Manufatura Auxiliada por Computador (WebTurning), para que um usuário remoto possa modelar uma peça rotacional, gerar o planejamento do processo com alternativas e fabricar a peça em um cen-tro de torneamento, realizando todo o ciclo de desenvolvimento do produto, relacionado ao projeto detalhado colaborativo, planejamento do processo e fabricação, de forma integrada e via Internet.
A motivação deste trabalho de doutoramento está associada à importância e à evolução tecnológica 1
da Internet nos últimos anos, visando uma contribuição para a concepção de um novo paradigma para desenvolvimento de produto colaborativo via Web. O objetivo principal desta pesquisa é desenvolver uma metodologia e a implementação de um protótipo computacional, sistema CAD/CAPP/CAM in-tegrado e inteligente, voltado para fabricação de peças rotacionais via Web.
Os Sistemas desenvolvidos a partir desta metodologia poderão ser aplicados na indústria e na academia (ÁLVARES e FERREIRA, 2003). Em aplicações acadêmicas poderão ser utilizados em
en-sino a distância, em um contexto de laboratórios remotos. Em aplicações industriais poderão ser utilizados como parte de um serviço de prototipagem rápida para try-out de peças ou para o fornec-imento de protótipo funcional para a própria empresa ou clientes remotos em um ambiente de tele-manufatura; podendo também ser integrado ao sistema de gestão da produção da empresa, fornecendo planos alternativos de processos para o sistema de programação da produção (scheduling) em "tempo real".
1.1 Resumo Orientativo da Tese
1.1.1 Questão a Responder
Como conceber e implementar um sistema integrado CAD/CAPP/CAM voltado para manufatura re-mota de peças baseado na Web, a fim de atender o novo paradigma de desenvolvimento de produto colaborativo, envolvendo as fases de ciclo de vida do produto associadas ao projeto detalhado colab-orativo, planejamento do processo e fabricação ?
1.1.2 Hipótese a Comprovar
As necessidades primárias para a próxima geração de sistemas de softwares CAD/CAPP/CAM são a interoperabilidade entre as ferramentas de softwares, colaboração entre projetistas e equipes de projeto de forma distribuída, integração de dados e conhecimento através do ciclo de desenvolvimento de produto (do projeto à fabricação), bem como a captura, troca e reutilização do conhecimento. Para atender estas demandas torna-se necessário o desenvolvimento de metodologias que definam os módulos do sistema e como estes módulos interagem entre si, estabelecendo um novo paradigma de ambientes CAD/CAPP/CAM integrados e colaborativos.
1.1.3 Objetivos
O objetivo principal desta pesquisa é desenvolver uma metodologia e a implementação de um sistema CAD/CAPP/CAM, integrado e inteligente, voltado para fabricação de peças rotacionais via Web, que poderá ser utilizado pela indústria de manufatura e por instituições acadêmicas.
Será implementado um sistema computacional, disponibizado via Web
(http://WebMachining.Al-varesTech.com), que possibilitará aos usuários remotos o desenvolvimento de produto de forma
como requisitos-chave a modularidade, padronização, simplicidade, compartilhamento de informações e recursos.
1.1.4 Contexto e Condições de Contorno
Esta metodologia para fabricação de peças remotas, bem como a sua implementação, limita sua abrangência ao projeto detalhado colaborativo, planejamento do processo e fabricação de peças rota-cionais simétricas e assimétricas (operações eixo C, ferramenta rotativa), utilizando-se de tornos CNC e centros de torneamento. A fabricação das peças rotacionais deverá ocorrer, preferencialmente, em uma única máquina de comando numérico, em uma, duas ou três fixações. O detalhamento dos de-mais processos que sejam necessários (retificação, tratamento térmico e superficial, por exemplo) não serão objeto da metodologia e da implementação. A metodologia concebida poderá ser aplicada ao contexto de peças prismáticas, com as devidas adequações para esta categoria de peças.
Sua implementação utiliza como plataforma de desenvolvimento o sistema operacional Linux, as linguagens de programação Java, C e C++ e softwares open source como o Apache, JatLite, MySQL, PhP e TomCat. A aplicação desenvolvida é uma candidata natural à utilização da Inter-net 2, conectando o Graco/UnB ao Grima/UFSC com maior largura de banda e qualidade do serviço de telemanufatura, bem como as demais universidades brasileiras.
1.1.5 Enfoque
A metodologia é concebida a partir do paradigma de modelagem colaborativa baseada em síntese por features de projeto (adição e subtração de features de forma), a fim de permitir a integração das atividades de projeto colaborativo (CAD), planejamento do processo generativo (CAPP) e manufatura (CAM planejamento e CAM execução). O procedimento inicia-se na modelagem colaborativa de uma peça por features, num contexto de manufatura remota utilizando a Web como meio de comunicação, num modelo computacional cliente-servidor. O sistema é concebido num ambiente distribuído de agentes de softwares interoperáveis denominado de Comunidade de Agentes de Manufatura, sendo sua arquitetura estratificada em três camadas: Projeto, Planejamento do Processo e Fabricação. O fluxo de informações entre as três camadas da arquitetura é realizado através do encapsulamento das informações, adotando-se o Knowledge Query and Manipulation Language (KQML) como padrão de linguagem de mensagens entre os agentes.
1.2 Formulação do Problema
O problema objeto desta tese pode ser sintetizado da seguinte forma:
“Definir uma metodologia para um sistema integrado CAD/CAPP/CAM voltado para manufatura remota de peças rotacionais simétricas e assimétricas baseado na Web, bem como a sua implemen-tação, a fim de atingir um novo paradigma de desenvolvimento de produto colaborativo via
Inter-net, de forma a atender às necessidades primárias para a próxima geração de sistemas de softwares CAD/CAPP/CAM, que são a interoperabilidade entre as ferramentas de softwares, colaboração entre projetistas e equipes de projeto de forma distribuída, integração de dados e conhecimento através do ciclo de desenvolvimento de produto (do projeto à fabricação), bem como a captura, troca e re-utilização do conhecimento. Para atender estas demandas torna-se necessário o desenvolvimento de metodologias que definam os módulos do sistema e como estes módulos interagem entre si, estabele-cendo um novo paradigma de ambiente integrado CAD/CAPP/CAM para a era de e-Mfg
(electronic-Manufacturing), levando em conta o balanceamento da funcionalidade do modelo cliente-servidor e
a largura de banda disponível no sistema de comunicação de dados a ser utilizado, no caso a rede Internet.”
1.3 Oportunidade do Tema
Está em curso uma nova revolução no sistema de trabalho adotado nas empresas de manufatura, migrando das atividades auxiliadas pelo uso do computador (CAD, CAPP, CAM, CAP, etc) baseadas em sistemas integrados por computador, desenvolvidas nas decadas de 80 e 90 do século 20, para as atividades baseadas em e-work (electronic-work), que caracterizam o princípio de trabalho da era da informação, com uso intensivo da tecnologia da informação.
A Tecnologia da Informação, em especial a tecnologia de redes de comunicação e a convergência de tecnologias baseadas em redes sem fio e Internet, está abrindo um novo domínio para construção dos futuros ambientes de manufatura denominados e-Mfg, usando métodos de trabalho baseados em Collaborative e-Work, em especial para as atividades desenvolvidas durante o ciclo de desen-volvimento de produto em ambientes CAD/CAPP/CAM integrados e colaborativos. Este é um novo paradigma para estes sistemas computacionais baseados em ambiente globalizados, centrados em rede e espacialmente distribuídos, possibilitando o desenvolvimento de atividades usando e-Work. Isto permitirá que os desenvolvedores de produtos, projetistas, tenham maior facilidade de comu-nicação possibilitando o compartilhamento e o projeto colaborativo durante o desenvolvimento do produto, bem como, a teleoperação e monitoração dos dispositivos de fabricação.
A intensa competitividade entre as empresas e os novos desenvolvimentos na área da tecnologia da informação impõem uma nova abordagem crítica com relação aos sistemas CAD/CAM oferecidos atualmente à indústria e à academia. Para tirar vantagem da aplicação interativa baseada na Web é necessário mudar a abordagem para conceber e explorar novos paradigmas para a integração CAD/ CAPP/CAM.
Tendo em vista a importância e popularidade da Internet, é apresentado uma metodologia de inte-gração CAD/CAPP/CAM voltada para manufatura remota de peças rotacionais utilizando a Internet, em especial os protocolos associados a World Wide Web, visando a aplicação e domínio de ferramen-tas relacionadas à Internet, bem como a disponibilização das funções CAD/CAPP/CAM para que um usuário possa remotamente realizar o projeto colaborativo de uma peça rotacional (modelagem em 2D e visualização em 2D e 3D), gerar o planejamento do processo e fabricar a peça em um centro de
torneamento.
Esta tese pretende ser uma contribuição para o desenvolvimento da linha de pesquisa denomi-nada de telemanufatura (e-mfg), que congrega áreas multidisciplinares envolvendo a Tecnologia da Informação, Engenharia Mecânica e Engenharia Mecatrônica.
1.4 Contribuições do Trabalho
A metodologia idealizada utiliza a tecnologia Internet e de comunicação para oferecer um novo paradigma para o desenvolvimento dos futuros ambientes integrados CAD/CAPP/CAM. Estes am-bientes serão globais, centrados em rede e espacialmente distribuídos, tendo como front-end com o sistema CAD/CAPP/CAM navegadores Web e a linguagem Java, permitindo a independência da plataforma computacional do usuário.
Os Sistemas desenvolvidos a partir desta metodologia poderão ser aplicados na indústria e na academia. Esta metodologia de desenvolvimento de produto permite que uma empresa (aqui repre-sentada pelo usuário remoto) não necessariamente possua os equipamentos para a projeto, planeja-mento e fabricação de um lote de peças, além da empresa fabricante das peças poder ter contato direto com o cliente.
O sistema proposto apresenta muitas contribuições, inovações, para o desenvolvimento de sis-temas de e-manufacturing e telemanufatura baseado na Web, integrando atividades de projeto de-talhado de forma colaborativa, planejamento de processos e de manufatura através da modelagem por features e utilizando os protocolos TCP/IP e sistemas distribuídos. O sistema é inédito no que concerne à abordagem de projeto colaborativo por síntese de features e no processo de fabricação utilizado, sendo voltados para fabricação de peças rotacionais. Inova também na incorporação de funcionalidades associada à teleoperação via Web da máquina-ferramenta CNC permitindo a inte-gração CAD/CAPP/CAM. O sistema CAPP, proposto e implementado, utiliza uma nova abordagem de mapeamento de features de projeto para features de torneamento e usinagem, denominada de
“decomposição orientada ao setup, geometria e operação”, sendo utilizados conceitos associados à
norma STEP (STEP, 2003), e também aderente ao STEP-NC (STEP-NC, 2003).
Outras contribuições específicas estão associadas à implementação do sistema utilizando a tec-nologia Java Applet e Servlets que impõem uma maior segurança e restrições associadas à rede de comunicação. Esta implementação permite a utilização de uma estrutura de cross plataform reusável, possibilitando a sua operação com qualquer sistema operacional que suporte Java.
A seguir são apresentadas algumas contribuições do trabalho relacionadas à integração CAD/ CAPP/CAMe a Tecnologia da Informação:
• CAD por features voltado para Web: é inovador na sua concepção, bem como, na aplicação voltada à modelagem colaborativa de peças rotacionais simétricas e assimétricas.
• CAPP generativo voltado para Web e aderente a STEP-NC: é inovador, principalmente na apli-cação escolhida, voltada para planejamento do processo não-linear de peças rotacionais
simétri-cas e assimétrisimétri-cas. Não foi encontrada na literatura nenhum sistema CAPP com esta con-cepção. Vários métodos propostos e implementados para resolução das atividades relacionadas ao planejamento de processo não-linear são inovadores, como a “decomposição orientada ao setup, geometria e operação”, “geração de planos de processos não-lineares”, “otimização das condições de usinagem baseada em algoritmos genéticos” e “linearização do plano de processo baseado em algoritmos genéticos”.
• Supervisão, monitoração e teleoperação do centro de usinagem Galaxy 15M da Romi (CNC Fanuc 18i-ta) via Web, podendo-se monitorar e comandar a máquina-ferramenta, alterando-se parâmetros do CNC e do PLC. O sistema de supervisão e teleoperação via Web está integrado aos servidores de streaming de imagens e de som, que permitem uma imersão do usuário remoto no chão-de-fábrica.
• integração baseada em banco de dados relacional compartilhando toda a informação do sistema aliada à arquitetura multiagente e sistemas distribuídos, utilizando-se de applets e servlets em uma arquitetura cliente-servidor.
• identificação e discussão das técnicas disponíveis para telemanufatura via Web. Isto inclui téc-nicas e protocolos tais como CGI, HTTP, HTML, Java, sistemas multiagentes, VRML, servlets, entre outros.
• análise detalhada de características da Internet para aplicação de telemanufatura, levando em conta o balanceamento da funcionalidade disponível na arquitetura cliente-servidor em relação à largura de banda, a fim de minimizar o delay inerente ao protocolo TCP/IP.
1.5 Estrutura do Documento
A fim de se ter um estrutura lógica, este documento é dividido em treze capítulos e quatro apêndices que cobrem todos os aspectos que compõem a multidisciplinaridade do tema, formulação do prob-lema, revisão de literatura, metodologia concebida, implementação computacional, estudos de casos, conclusões e apêndices.
Inicialmente é apresentada uma revisão de literatura, do capítulo dois ao capítulo cinco. Um detal-hamento maior relativo à revisão de literatura pode ser obtido nos trabalhos associados à qualificação (Álvares, 2003) e nos relatórios de duas disciplinas cursadas pelo doutorando (ÁLVARES(2001) e ÁL
-VARES (2002)), que estão disponíveis na URL http://WebMachining.AlvaresTech.com.
O capítulo dois apresenta uma introdução à e-Mfg, Manufatura Remota e Manufatura Virtual baseada na Internet/Web descrevendo seus conceitos, arquiteturas e suas funções básicas. Neste capí-tulo é apresentada uma compilação das principais tecnologias, protocolos e ferramentas disponíveis para o desenvolvimento de aplicações baseadas no protocolo TCP/IP. É apresentado uma revisão sobre a tecnologia Internet, em especial as ferramentas de desenvolvimento voltadas para Web.
O capítulo três apresenta uma introdução ao planejamento do processo descrevendo suas funções básicas e estratégias usadas nas atividades de planejamento do processo convencional.
O capítulo quatro aborda o uso dos computadores no projeto e na manufatura com ênfase no projeto de peças baseado em features de projeto e manufatura como elemento de integração entre o projeto e a manufatura. Também apresenta o planejamento do processo auxiliado por computador (CAPP) dando maior enfoque à abordagem generativa e apresentando uma revisão de literatura dos vários sistemas CAPP desenvolvidos para operações de torneamento. Finaliza apresentando algumas ferramentas computacionais utilizadas no CAPP, derivadas de técnicas de representação do conheci-mento e abordagens clássicas, banco de dados relacional e sistemas multiagentes.
O capítulo cinco aborda as metodologias e sistemas CAD/CAPP/CAM baseados na Web onde nor-malmente utiliza-se da tecnologia de projeto por features, sendo as features de projeto e manufatura os elementos de integração entre o projeto e a manufatura.
O capítulo seis apresenta a metodologia concebida para viabilizar a integração CAD/CAPP/CAM via Web, denominada de WebMachining. A metodologia é apresentada através de diagramas IDEF0, IDEF1X e UML, onde são descritas as especificações funcionais do sistema concebido e o modelo de informação associado.
O capítulo sete apresenta a interface CAD-CAPP, detalhando as dez atividades concebidas para o planejamento de processo generativo baseado em mapeamento de features, da visão de projeto para visão de fabricação.
O capítulo oito descreve a abordagem lógica para CAPP, descrevendo minuciosamente e de forma didática a aplicação dos métodos e algoritmos concebidos em cada uma das atividades previstas, através de um estudo de caso aplicado à uma peça exemplo.
O capítulo nove apresenta os resultados obtidos na implementação computacional do sistema WebCADbyFeatures, através da descrição e apresentação de telas do sistemas desenvolvido.
O capítulo dez apresenta os resultados obtidos na implementação computacional do sistema We-bCAPP, através da descrição e apresentação de telas do sistema desenvolvido.
O capítulo onze apresenta os resultados obtidos na implementação computacional do sistema WebCAM, através da descrição e apresentação de telas do sistema desenvolvido.
O capítulo doze apresenta cinco estudos de casos constituídos por dez peças exemplos, para todo o ciclo de vida da metodologia; ou seja do projeto detalhado colaborativo (WebCADbyFeatures), pas-sando pelo planejamento de processo (WebCAPP) até a fabricação da peça no centro de torneamento Galaxy 15M (WebCAM).
No capítulo treze são apresentadas as conclusões, contribuições e sugestões de trabalhos futuros visando a evolução do sistema WebMachining.
No Apêndice A são apresentadas uma síntese das publicações e projetos aprovados por agências de fomentos gerados a partir do trabalho de doutoramento.
No Apêndice B são apresentadas as URLs relativas aos modelos IDEF0 e IDEF1X concebidos, à descrição da metodologia IDEF, à modelagem conceitual e física da base de dados relacional e à biblioteca de features CAM-I utilizada.
No Apêndice C são apresentados mais alguns modelos matemáticos para otimização de operações de usinagem, complementando assim o capítulo sete.
Electronic Manufacturing (e-Mfg)
Este capítulo apresenta uma revisão de literatura relativa à Tecnologia da Informação e sua utilização na manufatura, sendo designada atualmente de Electronic Manufacturing (e-Mfg). São apresentados conceitos de Manufatura Remota e Virtual (Teleoperação e Realidade Virtual), tecnologia Web, lin-guagens de programação voltadas pra Web, ferramentas de desenvolvimento, laboratórios remotos e virtuais, que serão utilizados no desenvolvimento da metodologia e do sistema WebMachining.
2.1 Electronic Manufacturing (e-Mfg)
A Tecnologia da Informação, em especial, a tecnologia de redes de comunicação e Internet, está abrindo um novo domínio para construção dos futuros ambiente de manufatura denominados e-Mfg Manufacturing) usando métodos de trabalho baseados em Collaborative e-Work
(electronic-Work), em especial para as atividades desenvolvidas durante o ciclo de desenvolvimento de produto
em ambientes CAD/CAPP/CAM integrados e colaborativos (MALEKet al., 1998 & NOF, 2004).
E-Work foi definida pelo PRISM Center (NOF, 2004) como qualquer atividade produtiva que
seja colaborativa, suportada por computador e apoiada por comunicação em organizações altamente distribuídas de robôs e/ou de pessoas ou sistemas autônomos. Em essência e-Work é compreendida de
e-ativities (electronic-ativities), ou seja atividades baseadas e executadas através do uso de Tecnologia
da Informação.
Este é um novo paradigma para estes sistemas computacionais baseados em ambiente globaliza-dos, centrados em rede e espacialmente distribuíglobaliza-dos, possibilitando o desenvolvimento de atividades usando e-Work. Isto permitirá que os desenvolvedores de produtos, projetistas, tenham maior facil-idade de comunicação possibilitando o compartilhamento e o projeto colaborativo durante o desen-volvimento do produto, bem como, a teleoperação e monitoração dos dispositivos de manufatura.
Em essência, e-work é constituído de e-ativities, isto é, atividades baseadas e executadas através da Tecnologia da Informação. Essas e-atividades incluem v-(virtual)Design, e-Business (e-negócio),
e-Commerce (e-comércio), e-Manufacturing (e-Manufatura), v-Factories (v-fábricas), v-Enterprises
(v-empreendimentos), e-Logistics (e-logísticas), e semelhantemente, robótica inteligente, transporte inteligente, e assim por diante. Todas estas e-atividades se apoiam em computador e tecnologias de
