Información Tecnológica-Vol. 15 N°5-2004, págs.: 3-8

INGENIERÍA MECÁNICA

Interpretación Geométrica de Piezas a través de Elementos Característicos de Mecanizado

The Geometric Interpretation of Parts by Machining Features

S.C. Gutiérrez, P. Rosado y E. Muñoz
Univ. Politécnica de Valencia, Dpto. de Ingeniería Mecánica y de Materiales, Camino de Vera s/n,
46022 Valencia-España (e-mail: scgutier@mcm.upv.es)

Resumen

Se describe una metodología para obtener automáticamente los diferentes Elementos Característicos de Mecanizado (ECMs) que describen una pieza. Para evitar los problemas encontrados en métodos y técnicas actualmente disponibles, se utiliza el concepto de ECMs, que corresponde al volumen de material que puede ser eliminado con un proceso de mecanizado y a la herramienta que puede ser usada. Los volúmenes de material a eliminar deben ser lo suficientemente básicos para no descartar ninguna solución que no tenga una equivalencia directa con una única operación de mecanizado. La metodología propuesta utiliza los modelos de información de la ISO 10303 (STEP) como entrada y salida de datos. Se concluye que con la metodología propuesta, junto con el uso de la unidad elemental de ECMs básicos, se encuentra una solución al problema de interpretación geométrica de piezas.

Abstract

A methodology is described which allows automatic determination of different Characteristic Machining Features (CMF) which describe a part. To avoid the different problems encountered in presently used methods and techniques, the CMF concept is used. This consists of the volume of material that must be eliminated by a machining process, plus the existing tool that can be used. The volumes of material to be eliminated have to be basic enough not to discard any possible solution without a direct equivalence to a single machining operation. The methodology proposed uses the ISO 10303 (STEP) information models as data input and output. It is concluded that the methodology proposed, together with the use of the basic CMF elemental unit, provides solutions to the problem of geometric interpretation of parts

Keywords: feature recognition, CAD/CAM integration, feature extraction, process planning automation

Uno de los grandes problemas que se encuentran en la integración entre el CAD y el CAPP es la interpretación indispensable de la geometría. La solución más factible es realizarla a través de Elementos Característicos, entendidos éstos como patrones específicos a la aplicación destino, para disponer de un modelo de la pieza que se corresponda con operaciones de mecanizado, no de diseño.

En el mecanizado estos patrones reciben el nombre de Elementos Característicos de Mecanizado, ‘ECMs’, determinando en gran medida el Plan de Proceso en cuanto a operaciones. Su identificación a partir de la geometría pasa por:

Exigir al operario una identificación previa de cada ECM que encuentre en el modelo. Esta solución impregna al sistema de cierta subjetividad y falta de automatización.

Forzar a un diseño basado en ECMs. Esto obliga al diseñador a tener conocimientos tecnológicos sobre fabricación y a realizar de antemano un plan de procesos para la pieza, impidiendo el uso de un CAD genérico en la etapa de diseño (Bronsvoort et al., 2001).

Reconocer ECMs a partir del modelo 3D de la pieza. Esta opción no adolece de los problemas anteriores y es en la que varios autores llevan tiempo trabajando y perfeccionando (Han et al., 2000).

Se descarta la primera opción por ser un método estrictamente manual. Respecto a la segunda se debe tener en cuenta que los elementos característicos empleados en la fase de diseño de la pieza, para la construcción del modelo en tres dimensiones, no tienen una correspondencia directa, o simplemente no existe correspondencia con los de mecanizado. Por el contrario la tercera solución garantiza una independencia entre el diseño y la fabricación, permitiendo el desarrollo de aplicaciones para una planificación de procesos totalmente automatizada.

Revisados los trabajos iniciales sobre ‘fabricación basada en elementos característicos de mecanizado’, se aprecia que la mayor parte de ellos realizan un reconocimiento puramente algorítmico, por ejemplo algoritmos basados en grafos, descomposición volumétrica, reconocimiento basado en pistas, reconocimiento sintáctico, etc. En todas estas técnicas se echa a faltar una mayor presencia de conocimiento tecnológico sobre mecanizado. Para suplir esta carencia se ha decidido abordar el problema desde su origen, definiendo los siguientes criterios:

Seleccionar el sistema de modelado propuesto por la ISO 10303, para una representación por límites (Brep, Boundary representation), por ser ampliamente conocido y utilizado.

Diseñar una sistemática utilizable con cualquier proceso de mecanizado. Para conseguir esto se han agrupado los procesos convencionales (fresado, torneado, limado, rectificado, brochado) en cuatro procesos ‘Tipo’ (Tabla 1). Decisión tomada tras estudiar las geometrías que se pueden obtener con ellos.

Desterrar la idea que liga la eliminación de un volumen de material con la simple generación de parte de una geometría, por otra más completa donde no sólo importan las superficies a generar, sino las diferentes formas de hacerlo, las posibles huellas que quedarán en ellas según la herramienta y su trayectoria, la interacción con el resto de superficies de la pieza, etc. Se abre así el abanico de posibles soluciones al no fijar estos aspectos en la fase de reconocimiento y al dejar la información necesaria para que se decida en el resto de etapas de la Planificación de Procesos.

Considerar un nuevo concepto de ECM, ya que los existentes asocian directamente un volumen de material a operaciones de mecanizado. Como puede deducirse, un mismo volumen de material puede ser eliminado de diferentes formas, en función del proceso, de la trayectoria, de la herramienta, etc. y todas ellas deberían ser consideradas. Otro aspecto deseable es la posibilidad de agrupar estos ECMs en otros mayores bajo distintos puntos de vista (mismo proceso, herramientas afines, igual acceso), garantizando su fabricación.

El presente trabajo establece la estrategia a seguir para realizar la ‘interpretación geométrica’ de un modelo 3D de una pieza a través de ECMs. Para comprobar su funcionamiento se está desarrollado en Visual C++ la estructura de clases y la aplicación que sigue esta estrategia. De momento todos los esfuerzos se han centrado en los procesos ‘Tipo’ 4 (Tabla 1), sabiendo que el resto compartirá la operativa y clases definidas.

MODELO GEOMÉTRICO Y TOPOLÓGICO

Los datos de entrada para el reconocimiento de los son modelos geométricos de piezas construidas a partir de elementos característicos de diseño, en Brep, acorde el formato del estándar ISO 10303, conocido como STEP (ISO 10303-42, 1994) y soportado por la gran mayoría de aplicaciones CAD comerciales.

En Brep una pieza se describe a partir de componentes geométricos como superficies, vectores, puntos, curvas, y topológicos como vértices, recorridos, envolturas, ciclos, ... que en su conjunto definen los límites, tanto externos como internos del objeto a modelar. Dicho de otro modo, una pieza en Brep está formada por un conjunto de superficies planas, cilíndricas, esféricas, toroidales, cónicas, etc., que unidas por sus extremos delimitan su forma y volumen.

Cada superficie está definida, geométrica y topológicamente por un ciclo cerrado de tramos que la acotan externamente (Figura 1, tr_A y tr_B), con cero, uno, o varios ciclos que la acotan internamente (Figura 1, tr_1, tr_2, tr_3, tr_4), y con información para saber en qué parte queda el material, el sentido de recorrido de los tramos, el sentido de la normal a la superficie a considerar, etc.

En la Figura 2 aparece parte del código según STEP, donde la envoltura cerrada, ‘CLOSED_ SHELL’, representa el conjunto de superficies que constituyen la pieza. Entre ellas se encuentran a la superficie ‘#1256’ bajo la entidad ‘ADVANCED_FACE’, limitada por una lista de recortes, en este caso con uno solo recorte exterior ,‘FACE_OUTER_BOUND’, el #1255. Este recorte está compuesto por un ciclo de tramos ‘EDGE_LOOP’, donde el tramo #1217, ‘ORIENTED_EDGE’, es circular ‘EDGE_CURVE’. Algunas de estas entidades llevan información topológica en forma de parámetros lógicos (True, False).

Hasta ahora los ECMs se han agrupado alrededor de un tipo concreto de mecanizado, torneado, fresado, fresado con 2 ejes y medio, etc. y casi siempre de forma similar a la clasificación realizada por Kramer en su librería de ‘elementos volumétricos de forma para la eliminación de material’ (Kramer, 1992). Por regla general dentro de cada grupo se establece una jerarquía, manteniendo en la cúspide al ECM más general y ramificándose en especializaciones y variaciones (formas semblantes, similitud en su realización, ...). A medida que se desciende en la estructura se encuentra información que los distingue de sus ascendentes, como profundidad, ángulo, radio, ancho, largo, o conjuntos de ECMs que contienen, islas o nervaduras de material. Algunos ECMs clásicos son: escalón (step), cajera circular/rectangular (circular/rectangular pocket), plano inclinado (ramp), redondeo (round), ranura (groove), taladro pasante/ciego (thru all/blind hole), chaflán (chamfer), saliente (boss), etc.

Teniendo en cuenta el conocimiento tecnológico es necesario ampliar el concepto de elemento característico de mecanizado para definirlo como “aquel conjunto de superficies que delimitan una zona, y que son el resultado de eliminar un volumen de material a una preforma o bruto de partida, mediante un proceso, una herramienta válida y una operación conocida” (Figura 3).

Tabla 1: Caracterización de los Procesos Tipo

El propósito es conseguir ECMs básicos y simples, teniendo en cuenta:

El proceso que los genera. Se distinguen cuatro procesos en función del tipo de movimiento de corte y de avance que realizan y quien lo lleva a cabo (Tabla 1). Las diferencias entre ellos residen en el tipo de geometrías que se pueden conseguir a partir de sus movimientos principales.

La forma de la herramienta. Perfil de corte, disposición del eje y zona no cortante.

La accesibilidad. Caracterizada por la dirección y sentido en la entrada y salida del corte y por la necesidad de profundizar eliminando material en la entrada.

Considerando esto, cada ECM queda compuesto por un volumen de mecanizado, un proceso ‘Tipo’ que lo genera, una herramienta que lo permite (en forma de perfil genérico con restricciones) y un acceso a través de la geometría de la pieza para esa herramienta.

Un ECM simple y básico contiene un volumen de mecanizado compuesto sólo por superficies cóncavas entre sí. Uno de los problemas que suele aparecer es que, al determinar las superficies del volumen introduciendo sólo las cóncavas, alguna de las recién incorporadas sea convexa a otra existente. Ante esta situación no siempre se encuentra solución única (una sola operación, única herramienta que genere todas las superficies del volumen, acceso sin reorientar herramienta,...). Estos volúmenes deben descomponerse, generando nuevos ECMs, para encontrar solución válida.

En ocasiones el volumen está formado por una sola superficie. Situación que aparece cuando ésta no tiene vecinas cóncavas.

Por otra parte debería rechazarse cualquier asignación inicial a una operación, por ejemplo si se trata de un ‘escalón’ o una ‘cajera’, ya que esto predispone una herramienta y una trayectoria de mecanizado. Lo realmente importante es determinar que ese volumen puede mecanizarse. Identificar el tipo de operación, la trayectoria de mecanizado, etc., se decidirá durante la Planificación teniendo en cuenta factores como las tolerancias, el acabado superficial, el resto de operaciones, etc.

INTERPRETACIÓN GEOMÉTRICA

En la Figura 4 puede verse la metodología seguida en la interpretación geométrica y obtención de los ECMs de una pieza. Los pasos propuestos son:

Identificar superficies a investigar .
Se usan como inicio del procedimiento todas las superficies en el modelo de la pieza que no coincidan con alguna del modelo del bruto. En caso de que el bruto de partida englobe por completo a la pieza, se tomarán como superficies a investigar todas las existentes, pues todas deben ser mecanizadas.

Buscar vecinas y seleccionar Proceso Tipo.
Son superficies vecinas aquellas que tienen algún tramo en común y forman concavidad con la investigada, incluyendo a aquellas que son a su vez vecinas de las ya obtenidas. La búsqueda de ‘concavidad’ obedece a la propia naturaleza del mecanizado, que obliga a un tratamiento simultáneo de aquellas superficies cóncavas entre sí. La superficie a investigar y sus vecinas cóncavas forman un Volumen de Mecanizado (Chen et al., 2002). Éste es la unidad sobre la que se trabaja.

Se debe recordar que al añadir vecinas cóncavas en el Volumen aparecen situaciones en las que la superficie añadida es convexa a otra ya incluida. Situación que fuerza a descomponer el Volumen en dos o más Volúmenes de Mecanizado partiendo alguna de sus superficies. Las superficies pertenecientes al Volumen serán eliminadas del conjunto de superficies candidatas a ser investigadas.

Los procesos ‘Tipo’ se seleccionan uno a uno de forma secuencial.

Localizar y orientar el eje de la herramienta .
En función del proceso, y teniendo en cuenta las superficies que forman parte del Volumen de Mecanizado, se calculan las orientaciones que puede tomar el eje de una herramienta, de perfil aún desconocido, para alcanzar todas las superficies sin necesidad de ser reorientado. En los procesos ‘Tipo’ presentados no se admite una orientación dinámica de la herramienta durante el mecanizado.

Construir el perfil de la herramienta .
Tomando una orientación válida para el eje de la herramienta, procedente del punto anterior, se recorren el resto de superficies para determinar la forma genérica que deberá tener el perfil de la herramienta que las mecanice según el proceso ‘Tipo’ considerado. El eje de la herramienta se reorientará durante la construcción del perfil, en caso de ser necesario y siempre que esté dentro del rango permitido. Al final éste debe tener una única orientación.

Verificar la accesibilidad de la herramienta .
Un ECM no tiene sentido si en su consecución no se verifica la accesibilidad de la herramienta a la zona de trabajo, es más, la falta de acceso lo anularía como tal. Una vez conocida una orientación y perfil válido para la herramienta debe comprobarse que el resto de superficies de la pieza no impiden que el volumen sea accesible para un mecanizado completo, sujetando la herramienta por uno o ambos extremos en función del proceso ‘Tipo’.

Guardar resultados e información relevante .
Un ECM necesita información del tipo superficies que lo integran, orientación del eje de la herramienta, perfil de la herramienta capaz de generarlo, restricciones para ese perfil, tipo de acceso permitido (por partes, continuo), proceso ‘Tipo’ aplicable, etc. Esta información se almacena agrupada y estructurada para facilitar la labor del último paso.

Definir ECMs.
Se detallan los ECMs que constituyen la pieza realizando una criba de los obtenidos, ya que pueden existir repeticiones, asociarse en más complejos (Han y Requicha, 1995) o realizarse en distinto orden. Al final se obtendrá un árbol con múltiples soluciones. Por ejemplo, un agujero cónico y otro cilíndrico, coaxiales y dispuestos uno sobre el otro, corresponden inicialmente a dos ECMs, para un proceso ‘Tipo’ 4, debido a la existencia de una transición convexa entre ellos. Pero pueden ser a su vez un único ECM realizado con una herramienta cuyo perfil sea la unión de ambos.

El conjunto de posibles soluciones se deja en un formato apto para la representación e intercambio de información en la Planificación de Procesos de productos mecánicos, acorde a la ISO10303/224 (ISO10303-224, 1997).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El objetivo de la metodología es obtener un conjunto de ECMs en los que cada uno contiene información sobre el volumen de material que elimina, el proceso ‘Tipo’ a usar, una herramienta válida y un acceso a la zona de mecanizado. Cuando se habla de ‘herramienta válida’ no se está seleccionando una herramienta comercial, sino que se está proporcionando un perfil con sus posibles variaciones en cuanto a radios y longitudes de los tramos que lo integran, así como unas orientaciones posibles para el eje de la herramienta o para la propia herramienta, según sea ésta de revolución o no.

Los métodos de reconocimiento puramente algorítmicos, por ejemplo los basados en grafos (Cicirello y Regli, 2001), pierden toda referencia sobre el ámbito de aplicación, ya que una vez convertida la geometría en un grafo se dedican a realizar búsquedas exhaustivas sobre él para ir encontrando patrones, representados como subgrafos, y que se corresponden a elementos característicos de mecanizado. Esta técnica presenta resultados inviables, por ejemplo ECMs no accesibles o no realizables. Además sólo trabaja con los patrones que obtiene de su base de datos y por lo tanto no es capaz de responder ante variaciones y/o intersecciones en éstos, si no se ha guardado previamente un patrón ejemplo.

En aquellas propuestas que tratan el problema de la accesibilidad (Lim, 2000) o que verifican la existencia de herramienta que permita el mecanizado, se suele hacer un análisis independiente al reconocimiento. Por ejemplo, algunas propuestas (Han et al., 2001) comprueban la existencia de herramienta buscando, entre las guardadas en una base de datos, aquellas que son capaces de eliminar el volumen generando la geometría adecuada en la pieza.

Uno de los problemas de las propuestas basadas en ‘pistas’ es la existencia de elementos característicos incompletos, o que son el resultado de la intersección de varios, ya que en estos casos suelen faltar las superficies utilizadas como ‘pistas’ y que son clave para una correcta identificación. La mayoría de reconocedores trabajan sobre un proceso único, por ejemplo torneado, fresado con dos ejes y medio (Lim, 2000), ..., se necesitaría la unión de varios para dar un resultado utilizable en un planificador de procesos automático, ya que en la realidad son más bien escasas las piezas que sólo requieren de una máquina. Además reducen el campo de aplicación a piezas prismáticas o formadas sólo con planos y cilindros, perdiendo generalidad.

CONCLUSIONES

Trabajando según la metodología presentada y usar como unidad elemental los ECMs básicos se encuentra solución a los problemas comentados, ECMs incompletos, intersección de ECMs, ECMs no accesibles, utilización del resto de superficies regulares (planas, cilíndricas, cónicas, tóricas y esféricas).

Mediante la utilización conjunta de ECMs básicos y los cuatro procesos ‘Tipo’, se pueden obtener todas las variantes factibles en el mecanizado, no eliminando la posibilidad de obtener ECMs complejos (ej., ‘perfilado’ alrededor de la pieza) puesto que en la última etapa se buscan asociaciones de ECMs básicos. La elección final de ECMs queda en manos de la Planificación de Procesos atendiendo a criterios como minimizar fases, subfases, cambios de herramienta, costes, etc.

Otro aspecto importante es el desarrollo algorítmico, ya que tener separados los pasos a realizar en la ‘interpretación geométrica’, permite centrarse en cada uno de ellos para buscar una mejor solución. Tampoco se debe olvidar la reutilización del software ya que hay unos pasos comunes a todos los procesos, quedando las principales diferencias en etapas como la de construcción del perfil de la herramienta, pues es aquí donde el proceso limita las posibles formas válidas, de revolución, traslación o combinadas.

REFERENCIAS

Bronsvoort, W.; E. Van Den Berg; R. Bidarra; A. Noort, Essential Developments in Feature Modelling, CAD/Graphics (2001).        [ Links ]

Chen, L.; J. Pu; X. Wang, A general model for machinable features and its application to machinability evaluation of mechanical parts, Computer-Aided Design, Elsevier (2002).        [ Links ]

Cicirello, V.; W. Regli, Machining Feature-Based Comparisons of Mechanical Parts, International Conference on Shape Modelling & Applications (2001).        [ Links ]

Han, J.; M. Kang; H. Choi, STEP-based feature recognition for manufacturing cost optimization, Computer-Aided Design, Elsevier (2001).        [ Links ]

Han, J.; M. Pratt; W. Regli, Manufacturing Feature Recognition from Solid Models: A Status Report, IEEE Transactions on Robotics and Automation, 16, 6 (2000)        [ Links ]

Han, J.; A. Requicha, Integration of feature based design and feature recognition, ASME Computers in Engineering Conference (1995)        [ Links ]

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ISO 10303-42, Integrated generic resources: Geometric & topological representation (1994)        [ Links ]

Kramer, T.R., A library of material removal shape element volumes (MRSEVs), NISTIR 4809 paper (1992).        [ Links ]

Lim, T., Lamina-based feature recognition & applications in manufacturing, Thesis, Heriot-Watt University - UK (2000).        [ Links ]

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