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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.15 n.4 La Serena  2004

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642004000400002 

 

Información Tecnológica-Vol. 15 N°4-2004, págs.: 9-14 

PROCESOS ASISTIDOS POR COMPUTADOR

Modelado de Información para la Caracterización de Utillaje en un Sistema de Planificación de Procesos Asistido por Computador

Modeling Information to Characterize Fixtures in a Computer-Aided Process Planning System
 

E. Muñoz, P. Rosado y F. González

Univ. Politécnica de Valencia, Dpto. de Ingeniería Mecánica y de Materiales, Camino de Vera s/n, 46022 Valencia-España

Dirección para correspondencia


Resumen

Este trabajo tiene como objetivo establecer una metodología que permita analizar la validez de un utillaje propuesto dentro de un sistema de planificación de procesos asistido por ordenador (CAPP). El utillaje se ha definido como un montaje de elementos que determina la unión entre la pieza y la máquina donde se mecaniza. El utillaje se estudió desde el punto de vista funcional (localización, orientación y sujeción de la pieza), desarrollando una propuesta de modelo de información que permite su caracterización, genérica e independiente del tipo de elementos que lo forman, así como algoritmos y procedimientos que permitan analizarlo, asegurando la estabilidad y sujeción de la pieza. Se concluye que el modelo propuesto y desarrollado en este trabajo, permite una caracterización genérica e independiente del tipo de elementos que forman el utillaje.

Abstract

The objective of this paper is to establish a methodology which permits the analysis and validation of a fixture in computer-aided process planning (CAPP). The fixture has been defined as an assembly of various elements creating the link between the piece and the equipment by which it will be machined. The fixture was studied from the functional point of view (location, orientation and clamping of the piece). An information model was developed and proposed which permitted generic characterization, independently of the formative elements of the fixture, as well as algorithms and procedures which allow its analysis to assure stability in the clamping of the piece. It is concluded that the model proposed and developed in this work allows generic characterization which is independent of the elements forming the fixture.

Keywords: fixtures, computer-aided process planning, information model, systematic methodology


INTRODUCCIÓN

La planificación de procesos se puede definir como la tarea de preparar las instrucciones necesarias para fabricar una pieza. En parti-cular, para trabajos de mecanizado, establece el proceso de fabricación, las máquinas-herramienta y las herramientas a utilizar, los pará-metros de mecanizado y los útiles de localiza-ción y amarre de las piezas. La determinación del número de amarres, los utillajes necesarios para cada uno, así como la selección de superficies de referencia y sujeción constitu-yen la planificación de utillajes y es una importante tarea dentro de la planificación de procesos (Boerma y Kals, 1989). Además, es una de las decisiones más difíciles de automatizar (Senthil y Nee, 1992) debido a la naturaleza empírica del dominio de su conoci-miento y a la falta de una metodología formalizada. De hecho, ha sido incluida en muy pocos Sistemas de Planificación de Procesos Asistida por Computador (CAPP) (ElMaraghy y Agerman 1993).

Las implicaciones económicas del diseño y fa- bricación de los utillajes son importantes, su coste puede alcanzar entre un 10 y un 20% del coste total de fabricación (Bi y Zhang, 2001), si bien, la tendencia debería ser la utilización de utillajes flexibles. La planificación de utillajes, tradicionalmente se ha basado en la experiencia, y la investigación reciente (Hargrove y Kusiak, 1994) se ha centrado en aspectos concretos del diseño de utillajes, observándose la falta de herramientas de síntesis que permitan automatizar el proceso de diseño y planificación de utillajes. Un sistema de planificación de utillajes debería estar integrado con el sistema de planificación de procesos (Chang, 1992).

La necesidad de validar el utillaje propuesto para la fabricación de una pieza dentro de un sistema CAPP, exige desarrollar una metodología para la planificación automática de utillajes que permita analizarlo. Con este objetivo, en el presente trabajo se ha desarrollado un modelo para caracterizarlo genéricamente desde el punto de vista funcional, así como el desarrollo de unos algoritmos y procedimientos que permitan analizarlo, asegurando la es-tabilidad y sujeción de la pieza durante el mecanizado. Toda la información necesaria para su caracterización se ha representado en una propuesta de modelo de información, expresado en base a la norma ISO 10303, conoci- da como STEP, cuyas estructuras se escriben en lenguaje EXPRESS, y que puede ser intergrado en un sistema CAPP.

METODOLOGÍA DE ANÁLISIS EN LA PLA-NIFICACIÓN DE UTILLAJES

El modelo desarrollado para caracterizar el utillaje, se ha centrado en su función principal, como elemento que localiza y orienta la pieza respecto al sistema de referencia de la máqui-na, y elimina los grados de libertad (g.d.l) de la pieza. Además, esa localización y orientación debe mantenerse durante el mecanizado, asegurando la estabilidad y sujeción de la pieza. Para ello se ha desarrollado un algoritmo que estudia la estabilidad de sujeción de la localización isostática de la pieza, así como unos procedimientos para comprobar el equilibrio estático de todas las fuerzas que apare- cen en el mecanizado. El modelo, algoritmo y procedimientos permitirán analizar y determinar la validez del utillaje.

Análisis funcional del utillaje

El utillaje se define como un montaje de distintos elementos que determina la unión entre la pieza y la máquina donde se mecaniza. El modelo desarrollado comprende información referente a la definición de cada uno de los elementos utilizados para localizar y amarrar la pieza, a la definición del utillaje como agrupación de dichos elementos, a la compatibilidad entre ellos, es decir que sea posible su conexión física y al modo como se acoplan. Contiene además, información sobre la localización de la pieza y eliminación de sus g.d.l mediante los puntos de contacto utillajepieza, así como el tipo de contacto elemento-pieza.

La función más importante a realizar por el utillaje es conseguir el posicionamiento, orientación y eliminación de los g.d.l de la pieza con respecto al sistema de referencia de la máquina. Esta función, vendrá determinada por el conjunto de elementos que forma el utillaje y el modo de montaje de los mismos. Formarlo sólo será factible, si es posible la co-nexión física entre los elementos. Este concepto ha sido modelado con el término acoplamiento. Dos elementos podrán montarse cuando tengan el mismo tipo de acoplamiento. Cada elemento se define por unos ejes ca-racterísticos, su tipo y ejes de acoplamiento. Los ejes característicos son las direcciones que definen su localización. Están definidos, figura 1, por un triedro de ejes perpendiculares y para elementos con simetría que vayan a trabajar en dirección radial, se definen por dos direcciones, radial y axial. Los ejes del acoplamiento, definidos de forma similar, defi-nen la orientación del elemento en el montaje.


 
Fig. 1: Ejes de acoplamiento de una garra que se acople a dicho cubo.

La relación entre los ejes característicos y del acoplamiento, se expresa con una matriz de transformación, denominada matriz de aco- plamiento. La figura 2 muestra la matriz entre los ejes característicos de una garra (RG, ZG) y los ejes (R1, Z1) de su acoplamiento ranura. Los ejes característicos y tipo de acoplamien-to son únicos, no así, los ejes del acoplamiento, que pueden tener diferentes orientaciones, dando lugar a distintos montajes de un mismo elemento. Cada orientación determina una matriz de acoplamiento. La figura 3 muestra como para diferentes orientaciones 1, 2 (figura 3a) de los ejes del acoplamiento circular (X1,Y1,Z1) de un cubo de un utillaje modular con respecto a sus ejes característicos (X,Y, Z), se pueden obtener dos opciones de montaje 3, 4 (figura 3c) para un tope (figura 3b) que se acople a dicho cubo.


 
Fig. 2: Matriz de acoplamiento de una garra que se acopla a dicho cubo.


Modelo de caracterización de un elemento

La figura 4 muestra un gráfico EXPRESS-G de la estructura del modelo de caracterización de un elemento del utillaje. Se observa que puede actuar como elemento final, porque está en contacto con la pieza o máquina, o bien como elemento intermedio, posicionado entre otros dos. Si actúa como elemento final a máquina, tendrá un acoplamiento con otro elemento en dirección hacia la pieza, y de forma análoga si es elemento final a pieza, un acoplamiento hacia máquina. Si es un elemento intermedio, tendrá acoplamientos tanto hacia pieza como hacia máquina. Cada acoplamiento está definido por su tipo y por las matrices de acoplamiento del elemento y su acoplamiento. Para un elemento final a pieza, el modelo contiene además información referente al tipo de contacto entre elemento y pieza, un vector con el número de g.d.l. que puede restringir a la pieza en cada una de las direcciones de los ejes característicos y otro vector con las direcciones de las fuerzas de amarre, que pueda realizar.


 
Fig. 4: Modelo de un elemento de utillaje.

Los g.d.l de la pieza se restringen por los ele-mentos del utillaje en contacto con ella. El objetivo es conocer la referencia espacial de la pieza respecto a la máquina, es decir conocer la dirección de esos g.d.l restringidos en el sistema de coordenadas de la máquina. Para ello, a partir de la dirección de los g.d.l restringidos por cada elemento y con la relación existente entre los ejes característicos del elemento y los del tipo de acoplamiento, se podrá obtener la dirección de los g.d.l. respecto a la máquina. El montaje utillaje se convierte en una sucesión de las respectivas matrices de acoplamiento entre los diferentes elementos. Véase como ejemplo el utillaje mostrado en la figura 5, formado por un plato autocentrante y las garras de sujeción. Así, a partir de los g.d.l restringidos por cada una de las garras según sus ejes característicos, y mediante la sucesión de las matrices: ejes garra y ejes de su acoplamiento (IRgR1), ejes plato y ejes de su acoplamiento a garra (IR1Rp), ejes plato y ejes de su acoplamiento a máquina (IRpR2) y ejes máquina y ejes de su acoplamiento al plato (IRpRT), se obtiene la dirección de esos g.d.l según los ejes máquina.


 
Fig. 5: G. d. I restringidos por cada garra en relación al sistema de coordenadas máquina.

Como se ha visto, para definir el utillaje, no es suficiente conocer los diferentes elementos que lo componen sino que hay que establecer como se montan, es decir que elemento se acopla con cada uno y, en que modo a través de la matriz de acoplamiento. Se define así la entidad Montaje, cuya estructura se muestra en la figura 6, integrada por un conjunto de elementos no ordenados y de número variable, denominados Componentes del Montaje. Cada componente se define por tres atributos, el primero, Elemento del montaje, hace referencia al tipo de elemento, (entidad Elemento, figura 4). Este elemento, tendrá conexión hacia máquina y pieza con otros elementos, definiéndose dos atributos Montaje hacia máquina y Montaje hacia pieza. Cada uno de estos atributos es de nuevo un conjunto de elementos. La entidad Elementos define a cada uno de estos elementos, esta entidad indica con sus atributos, la información del tipo de elemento (Elemento), la matriz de acoplamiento para el montaje de este elemento acoplado, los g.d.l. que está restringiendo y si realiza función de amarre.


 
Fig. 6: Modelo de un montaje utillaje.

Análisis de estabilidad

El utillaje debe asegurar la estabilidad y la sujeción de la pieza. La estabilidad supone la eliminación real de sus g.d.l, garantizando que no se va a perder el contacto en cada uno de los puntos de conexión pieza-utillaje. Se ha estudiado la estabilidad de la localización isostática de la pieza en función de la variabilidad de la posición real de los puntos de con-tacto a lo largo de la superficie del elemento. Para una configuración concreta de localización y amarre, como la mostrada en la figura 7 según el principio 3-2-1, se va a analizar la posición de las normales de localización para que sea estable. No debe producirse el giro o pérdida del contacto en cada uno de los puntos de localización ni en el punto de amarre, debido a la acción de las fuerzas que actúan en ellos. El análisis comprende la obtención para cada punto de contacto y de amarre, de tres ecuaciones (x,y,z) con los momentos creados por las otras fuerzas, las reacciones en los puntos de localización y la fuerza de amarre. Según la dimensión geométrica del elemento, existe un rango de variación para la posición de los puntos de contacto, y en consecuencia, diferentes momentos en signo. La estabilidad se asegura si en cada ecuación de cada punto, al menos dos momentos son opuestos. El procedimiento se implementa para que de forma recursiva, imponga posiciones a los puntos de contacto y estudie la variabilidad que determina condiciones de estabilidad.


 

Fig. 7: Equilibrio estático.

Finalmente se ha estudiado la sujeción de la pieza para mantener su posición y orientación durante el mecanizado. Se han considerado todas las fuerzas que aparecen, debiéndose alcanzar el equilibrio estático cualitativo entre todas ellas, ya que se considera la existencia de fuerza en una direción pero no su valor. En la localización isostática de la pieza, figura 7, se crea una reacción en cada punto de localización, y por tanto una fuerza resultante (Fpos) en cada dirección (x,y,z). El amarre ejerce una fuerza (FAmarre) en su punto de aplicación e implica la aparición de fuerzas de rozamien-to (Froz) que impiden moverse a la pieza en las direcciones perpendiculares al amarre.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La propuesta del modelo de información y de los algoritmos mostrados para el análisis funcional de un utillaje, se han utilizado para el desarrollo e implementación de una aplicación informática en lenguaje C++. Esta aplicación permite por una parte, gestionar datos de acuerdo a la estructura de información mostra da, comportándose como una base de datos que permita mantener y gestionar datos que se puedan importar y exportar mediante fiche- ros STEP. Por otra parte, y trabajando sobre estos datos, se han implementado los algoritmos que permiten a partir de la definición de un montaje de utillaje, mostrar como queda orientada la pieza respecto a la máquina e informar sobre la estabilidad de dicho amarre. La aplicación dispone además de una interface que permite de forma sencilla la manipulación de los datos de los elementos básicos, así como la definición de montajes para establecer un utillaje. Una vez definido, los algoritmos permiten obtener de forma automática un informe sobre los g.d.l. restringidos, la localización de pieza sobre la máquina y la sujeción y estabilidad del amarre. Los ensayos realizados sobre distintos utillajes y sujeciones de piezas han dado resultados muy satisfactorios tanto en la calidad de los datos proporcionados en el análisis, como en los tiempos necesarios. Por ello es una herramienta, que puesto que permite el intercambio de datos de acuerdo a STEP, será de utilidad y de fácil integración dentro de un sistema CAPP.

CONCLUSIONES

La necesidad de validar el utillaje propuesto para la fabricación de una pieza dentro de un sistema CAPP, exige disponer de una caracterización genérica de los utillajes desde el punto de vista funcional, que posibilite la aplicación de unos algoritmos y procedimientos generales que permitan analizarlo y determinar su validez. Toda la información necesaria para el análisis desde el punto de vista funcio-nal se ha representado en una propuesta de modelo de información, expresado en el lenguaje EXPRESS (ISO 10303/11). Este modelo permite una caracterización genérica e independiente del tipo de elementos que forman el utillaje.

 

REFERENCIAS

Bi, Z.M. y W.J. Zhang, Flexible fixture design and automation: Review, issues and future directions, Int. J. Production Research: 39(13), 2867-2894 (2001).         [ Links ]

Boerma, J.R y H.J.J. Kals, Fixture design with FIXES: the automatic selection of positioning, clamping and support features for prismatic parts, Annals of the CIRP: 38(1), 399-402 (1989).         [ Links ]

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ElMaraghy, H.A y E. Agerman, Evolution and Future Perspectives of CAPP, Annals of the CIRP: 42(2), 739-751 (1993).         [ Links ]

Hargrove, S.K. y A. Kusiak, Computer -Aided Fixture Design: a Review, Int. J. Production Research: 32(4), 733-753 (1994).         [ Links ]

Senthil, A. y A.Y.C. Nee, Expert Fixture-Design System for an Automated Manufacturing Environment, Computer-Aided Design: 24(6), 316-326 (1992).         [ Links ]

 

Correspondencia a:(e-mail: emudom@mcm.upv.es)