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Caracterización de utillajes para su utilización en sistemas CAPP

Hacia la planificación asistida de utillajes

Eva Muñoz, Pedro Rosado, Francisco González
Universidad Politécnica de Valencia
15/04/2003
La determinación del número de amarres, los utillajes necesarios para cada uno, así como la selección de superficies de referencia y sujeción, es una importante tarea de la planificación de procesos. Tradicionalmente la planificación de utillajes se ha basado en la experiencia, pues se trata de una de las decisiones más difíciles de automatizar debido a su naturaleza empírica y a la falta de una metodología formalizada. El desarrollo de una metodología para la planificación automática de utillajes que pueda ser integrable en un entorno CAPP, obliga a disponer en primer lugar de una caracterización genérica del utillaje desde el punto de vista funcional.
En el momento actual, la fabricación de piezas se caracteriza por un bajo volumen, alta variedad y piezas de alta calidad con pequeñas tolerancias. La planificación de procesos Asistida por Computador (CAPP) se ha convertido en uno de los aspectos esenciales para conseguir el incremento de competitividad en la fabricación. La Planificación de Procesos se puede definir como la tarea de preparar las instrucciones necesarias para fabricar una pieza. En particular para trabajos de mecanizado, establece el proceso de fabricación, las máquinas-herramienta, las herramientas a utilizar, los parámetros de mecanizado y los útiles de localización y amarre de las piezas. La determinación del número de amarres, así como la selección de superficies de referencia y sujeción, y la decisión de los utillajes necesarios para cada subfase, constituyen una importante tarea dentro de la planificación de procesos. Además, la planificación de utillajes es una de las decisiones más difíciles de automatizar debido a la naturaleza empírica de su dominio y conocimiento. La planificación de utillajes ha sido incluida en muy pocos sistemas CAPP, aunque su integración con la planificación de procesos es esencial. Tradicionalmente, la planificación de utillajes se ha basado en la experiencia, y la investigación reciente se ha centrado en la planificación para subfases individuales sin considerar la relación e interacción entre la planificación de procesos y la planificación de utillajes. Sin embargo, un plan de utillajes puede ser generado solamente sobre la base del plan de procesos, donde deben ser considerados los requerimientos de localización y amarre. Por tanto, si se quiere desarrollar una metodología para la planificación automática de utillajes será necesario disponer en primer lugar de una caracterización funcional del utillaje. Toda la información necesaria para la caracterización del utillaje, se ha representado en una propuesta de modelo de información, genérico e independiente del tipo de elementos que lo forman, expresada de forma que permita su utilización dentro de un sistema CAPP.

El modelo de caracterización desarrollado desde el punto de vista funcional, se ha centrado en la función principal que realiza el utillaje, como elemento que localiza y orienta la pieza respecto al sistema de referencia de la máquina y elimina sus grados de libertad. El modelo propuesto 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 o montaje de dichos elementos, a la compatibilidad entre elementos, es decir, que sea posible la conexión física entre los mismos y al modo como se acoplan. Contiene además, la información de la localización de la pieza y la eliminación de sus grados de libertad mediante los puntos de contacto entre utillaje y pieza, y el tipo de contacto que se presenta.

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Figura 1: Distintos montajes entre elementos
El utillaje, representado como el conjunto o montaje de elementos que generan la conexión física entre la pieza y la máquina donde debe mecanizarse, debe conseguir el posicionamiento y orientación de la pieza y la eliminación de sus grados de libertad y su modo de montaje vendrá determinado por el conjunto de elementos que configuran el utillaje. Formar el conjunto utillaje, sólo será factible si es posible la conexión física entre los diferentes elementos. Ese concepto ha sido representado con el término acoplamiento. Dos elementos podrán acoplarse cuando cada uno de ellos tenga el mismo tipo de acoplamiento.

Cada elemento del utillaje se define por unos ejes característicos, su tipo de acoplamiento y los ejes del acoplamiento. Los ejes característicos son las direcciones que caracterizan al elemento y que definen su localización. Estos están definidos por un triedro de ejes perpendiculares y para elementos que puedan trabajar en dirección radial, se definirán dos direcciones, una radial y otra axial. Los ejes del acoplamiento, definidos de forma similar a los anteriores, definen la orientación del elemento en el montaje de un utillaje, cuando se acopla a otro elemento que tenga su mismo tipo de acoplamiento. La relación entre los ejes característicos del elemento y los ejes de su acoplamiento, se expresa mediante una matriz de transformación entre ejes denominada matriz de acoplamiento. Los ejes característicos del elemento y su tipo de acoplamiento son únicos, pero los ejes del acoplamiento no. Éstos pueden tener diferentes orientaciones, obteniéndose diferentes opciones de montaje del elemento respecto a otro. Cada orientación de los ejes del acoplamiento de un elemento respecto a sus ejes característicos determinará un tipo de matriz de acoplamiento. Así, como se muestra en la Figura 1, para diferentes orientaciones 1 y 2 de los ejes del acoplamiento circular (X1,Y1,Z1) de la placa base de un utillaje modular con respecto a sus ejes característicos (X,Y,Z), se pueden obtener dos opciones de montaje para un tope que posteriormente se acople a dicha placa, dando lugar a las orientaciones 3 y 4.

La Figura 2 muestra un gráfico EXPRESS-G de la estructura del modelo de caracterización de un elemento del utillaje. Se observa que un elemento puede actuar como elemento final, cuando está en contacto con la pieza o con la máquina, o bien como elemento intermedio, cuando se encuentra localizado entre otros dos elementos. Si actúa como elemento final a máquina, tendrá un acoplamiento con otro elemento en dirección hacia la pieza y un acoplamiento con la máquina. De forma análoga, si es un elemento final a pieza, su acoplamiento será en dirección hacia máquina. Por su parte, un elemento intermedio, tendrá acoplamientos tanto en dirección hacia pieza como hacia máquina. Cada acoplamiento está definido por el tipo de acoplamiento 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 grados de libertad máximos que puede restringir a la pieza en cada una de las direcciones de los ejes característicos del elemento y un vector con las direcciones de las fuerzas de amarre que ese elemento puede realizar.

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Figura 2: Modelo de información para un elemento del utillaje
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Figura 3: Modelo de información para utillaje
De acuerdo a la definición de utillaje, no es suficiente conocer los diferentes elementos que lo componen, sino que además hay que establecer como se montan. Para ello es necesario establecer para cada elemento del utillaje con que otros elementos se acopla y a través de que matriz de acoplamiento. Se define así la entidad Montaje, cuya estructura se muestra en la Figura 3, integrada por un conjunto de elementos denominados Componentes del montaje. Cada componente se define por tres atributos. El atributo Elemento del montaje hace referencia al elemento de utillaje del que se trata y corresponderá a una entidad Elemento definida anteriormente (Figura 2). En el utillaje o montaje, este elemento tendrá unas conexiones hacia máquina y pieza con otros elementos, definiéndose para representarlas dos atributos Montaje hacia máquina y Montaje hacia pieza. Cada uno de estos atributos está definido como un conjunto de Elementos. La entidad Elementos define a cada uno de estos elementos, indicando con sus atributos, la siguiente información: el tipo de elemento (Elemento), la matriz de acoplamiento para el montaje entre este elemento acoplado y el Elemento que se estaba evaluando, así como los g.d.l. que está restringiendo (GDL restringidos) y si realiza función de amarre (Función de amarre).
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Figura 4: G.d.l restringidos por cada garra en relación al sistema de coordenadas máquina
Así, un utillaje como el plato de garras mostrado en la Figura 4, queda definido por el conjunto de elementos que lo forman y su secuencia de montaje, es decir que elemento se acopla con cada uno y de que forma a través de las matrices de acoplamiento entre elementos y acoplamientos. Los g.d.l de la pieza son restringidos por los elementos en contacto con la pieza, sin embargo, el objetivo es conocer la referencia espacial de la pieza respecto al sistema de coordenadas de la máquina, es decir conocer la dirección de esos g.d.l en el sistema de coordenadas de la máquina. Así, a partir de la dirección de los g.d.l restringidos según los ejes característicos del elemento y con la relación existente entre los ejes característicos y los ejes de acoplamiento de los sucesivos elementos que conectan la pieza con la máquina, se puede obtener la dirección de los g.d.l. eliminados respecto a los ejes máquina. Para ello, el utillaje se transforma en una sucesión de matrices de acoplamiento correspondientes a los diferentes elementos que se unen. En la figura 4, se muestra cómo a partir de los g.d.l restringidos por una de las garras, 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 a plato (IRpRT), se obtiene la dirección de esos g.d.l según ejes máquina.

La necesidad de validar el utillaje propuesto dentro de un sistema CAPP para la fabricación de una pieza, exige disponer de un modelo de información que lo caracterice desde un punto de vista funcional, así como el desarrollo de unos algoritmos y procedimientos que permitan analizarlo y determinar su validez. El modelo de información mostrado ha sido implementado para comprobar su aplicación y los algoritmos desarrollados permitirán, junto a la información del plan de mecanizado de una pieza y el modelado de la capacidad de la máquinas-herramienta, evaluar el grado de cumplimiento de las especificaciones dimensionales y geométricas de la pieza.

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