desenvolvimento integrado cad/cam de componentes para turbinas ...
135
Transcript of desenvolvimento integrado cad/cam de componentes para turbinas ...
Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP) Divisão Biblioteca Central do ITA/CTA Silva, Alex Sandro de Araújo Desenvolvimento Integrado CAD/CAM de Componentes para turbinas a Gás / Alex Sandro de Araújo. São José dos Campos, 2006. 133f. Tese de mestrado – Curso de Pós-Graduação em Engenharia Aeronáutica e Mecânica, Área de Sistemas Aeroespaciais e Mecatrônica–Instituto Tecnológico de Aeronáutica, 2006. Orientador: Dr. Eng. Mec. Jefferson de Oliveira Gomes. 1. CAD/CAM. 2. Fresamento 5-eixos. 3. Manufatura de Componentes de Turbinas a Gás. I. Centro Técnico
Aeroespacial. Instituto Tecnológico de Aeronáutica. Divisão de Engenharia Mecânica-Aeronáutica. II. Desenvolvimento Integrado CAD/CAM de Componentes de turbinas a Gás / Alex Sandro de Araújo Silva
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA SILVA, Alex Sandro de Araújo. Desenvolvimento Integrado CAD/CAM de Componentes para turbinas a Gás. 2006. 133f. Tese de mestrado – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos. CESSÃO DE DIREITOS NOME DO AUTOR: Alex Sandro de Araújo Silva TÍTULO DO TRABALHO: Desenvolvimento Integrado CAD/CAM de Componentes para Turbinas a Gás TIPO DO TRABALHO/ANO: Tese de Mestrado/ 2006 É concedida ao Instituto Tecnológico de Aeronáutica permissão para reproduzir cópias desta tese e para emprestar ou vender cópias somente para propósitos acadêmicos e científicos. O autor reserva outros direitos de publicação e nenhuma parte desta tese pode ser reproduzida sem a sua autorização (do autor). ___________________________ Alex Sandro de Araújo Silva Pr. Mal. Eduardo Gomes, 50. Vila das Acácias CTA-HTO Q.302 São José dos Campos - SP 12228-900
DESENVOLVIMENTO INTEGRADO CAD/CAM DE
COMPONENTES PARA TURBINAS A GÁS
Alex Sandro de Araújo Silva Composição da Banca Examinadora: Prof. Dr. Luís Gonzaga Trabasso Presidente-ITAProf. Dr. Jefferson de Oliveira Gomes Orientador-ITAProf. Dr. Miguel Ângelo Menezes ITAProf. Dr. Cristiano Vasconcellos Ferreira CIMATEC-BAProf. Dr. Osiris Canciglieri Junior PUC-PR
ITA
iii
DEDICATÓRIA
Dedico esse trabalho aos meus pais Vera Lucia de Araújo Silva e Raimundo Nonato
da Silva, minha avô Tereza Machado da Silva e Francisco Ferreira de Araújo (Em Memória),
Minhas Irmãs Izabel Cristina de Araújo Silva e Sônia Regina de Araújo Silva e especialmente
a minha linda noiva Fernanda Cinthia Diniz Teixeira.
Obrigado Deus por essa oportunidade!
Alex Sandro de Araújo Silva
Dezembro 2005.
iv
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar, eu gostaria de agradecer ao meu orientador e amigo professor
Jefferson de Oliveira Gomes, “expert” em tecnologia de usinagem e em sistemas produtivos,
por sua ajuda e orientação na execução do trabalho aqui apresentado.
As empresas membras da AIM em especial a UGS do Brasil, Siemens, Tecno-How e
Sandvik por seu suporte técnico que tornaram possível o presente trabalho.
Agradeço ao Everton por comandar uma máquina-ferramenta, como a Hermle C600
U, com extrema maestria em nossos ensaios, ao Wilson por suas idéias no desenvolvimento
de dispositivos de fixação e habilidade para fabricá-los. E também a todos os amigos do
laboratório Marcelo, Daniel, Oswaldo, Aluno PET (Gustavo) e Guilherme que contribuíram
de uma forma ou de outra para o termino desse sonho “ser mestre”.
FABRIC OF LIFE I want to say something to all of you Who have become a part Of the fabric of my life The color and texture Which you have brought into My being Have become a song And I want to sing it forever. There is a energy in us Which makes things happen When the paths of other persons Touch ours And we have to be there And let it happen When the time of our particular sunset comes Our things, our accomplishment Won’t really matter A great deal. But the clarity and care With which we have loved others Will speak with vitality Of the great gift of life We have been for each other Anonymous
v
RESUMO
O trabalho aqui apresentado propõe um método para a utilização da cadeia CAD/CAM
no fresamento 5-eixos de componentes de turbinas a gás. O método procura integrar as etapas
CAD, CAM do processo de fabricação de componentes de turbinas a gás. O método aborda
desde a modelagem dos componentes, evitando algumas características impróprias ao
fresamento 5-eixos, passando pela simulação das trajetórias e pós-processamento e por fim
fabricação dos componentes.
A partir desse trabalho algumas informações importantes referentes à cadeia
CAD/CAM puderam ser levantadas. De maneira geral, a abordagem da cadeia CAD/CAM
para o fresamento 5-eixos deve considerar etapas anteriores ao da programação CAM, como a
etapa CAD da cadeia, onde as geometrias são definidas, e posteriores, neste caso, simulação
das trajetórias de ferramenta e pós-processamento do código CN.
Ainda, foram feitas análises relacionadas aos tipos de interpolação que estão
disponíveis para o fresamento de geometrias complexas. Essa análise é também apresentada
no trabalho fazendo parte das contribuições que esse trabalho se propõe a dar.
Os resultados são extremamente práticos e se propõem a serem utilizados de imediato
na indústria. Eles vão desde restrições a modelagem de geometrias para o fresamento 5-eixos
até informações referentes a uso de interpolações complexas no âmbito de fresamento de
superfícies complexas. Procurou-se dar informações pertinentes ao fresamento 5-eixos em
todas as etapas da cadeia CAD/CAM para esse processo de fabricação.
vi
ABSTRACT
This work proposes a method for the application of CAD/CAM chain in the 5-axes
machining of gas turbine components. The method aims to integrate the CAD and CAM
stages of the manufacturing process of gas turbine components. The method approaches the
component modeling, the tool path simulation and pos-processing, and the component
manufacture.
Particularly, in the case of component modeling, it prevents the occurrence of
improper features in the 5-axes machining.
This work raised important information about CAD/CAM chain. Generally, in the case
of 5-axes machining, the complete CAD/CAM chain must be considered. It includes stages
previous to the CAM programming, such as the CAD stage of the chain, which defines the
geometry of the components. It also includes activities posterior to the CAM programming,
such as tool path simulation and NC code pos-processing.
Analyses related to interpolation types had been performed and are among the
important contributions of this work. Particularly, this work presents the results obtained for
complex geometries machining.
The results of this thesis are practical and can be directly applied to industry. They
comprehend from the specification of geometry restrictions for 5-axes machining, to the
proposal of guidelines for the application of complex interpolations in the context of free form
surface machining. The thesis intended to approach and give contributions in all stages of
CAD/CAM chain for the case of 5-axes machining.
vii
SUMÁRIO
1 Introdução.................................................................................................................. 15
1.1 Histórico e motivação................................................................................................ 15
1.2 Escopo do trabalho..................................................................................................... 16
1.3 Contribuições............................................................................................................. 17
1.4 Estrutura do trabalho.................................................................................................. 17
2 Revisão bibliográfica................................................................................................. 18
2.1 Sistemas CAD/CAM.................................................................................................. 18
2.1.1 Histórico dos Sistemas CAD/CAM.................................................................... 18
2.1.2 Modelagem de superfícies complexas............................................................... 25
2.1.3 Modelagem de sólidos....................................................................................... 33
2.1.4 Geração de trajetória de ferramenta.................................................................... 38
2.1.5 Simulação e verificação de trajetórias................................................................ 45
2.1.6 Pós-processamento para fresamento 5-eixos...................................................... 50
2.2 Influências sob o fresamento 5-eixos......................................................................... 53
2.2.1 Características de uma máquina ferramenta 5-eixos.......................................... 54
2.2.2 Fixação da peça................................................................................................... 59
2.2.3 Condições de contato da ferramenta................................................................... 61
3 Materiais e métodos................................................................................................... 70
3.1 Materiais de ensaio..................................................................................................... 70
3.2 Máquina-ferramenta................................................................................................... 71
3.3 Ferramentas de corte.................................................................................................. 72
3.4 Software CAD/CAM.................................................................................................. 73
3.5 Equipamentos auxiliares............................................................................................ 74
3.6 Método utilizado nos ensaios..................................................................................... 75
3.6.1 Procedimento para análise de geometrias (IGES, PARASOLID)...................... 79
3.6.2 Procedimento para remodelagem para fresamento 5-eixos................................ 83
3.6.3 Procedimento programação CAM de componentes........................................... 84
3.6.4 Procedimento para criação de simulador de máquina-ferramenta...................... 87
3.6.5 Procedimento para medição dos percursos da ferramenta de corte.................... 91
3.6.6 Pós-processamento dos programas..................................................................... 93
3.6.7 Procedimento para fabricação dos componentes................................................ 94
3.6.8 Procedimentos para medição de forma e acabamento da superfície usinada..... 95
viii
4 Análise dos resultados................................................................................................ 99
4.1 Análise de geometrias importadas (IGES, PARASOLID)........................................ 99
4.2 Análise da remodelagem de geometrias 3D para fresamento 5-eixos....................... 106
4.3 Análise das medições dos percursos da ferramenta de corte em tempo real............. 107
4.4 Analise do simulador 3D da máquina-ferramenta..................................................... 112
4.5 Análise do processo de fabricação das superfícies.................................................... 114
4.6 Análise das medições das superfícies Usinadas......................................................... 115
5 Conclusões e sugestões para trabalhos futuros.......................................................... 121
5.1 Conclusões.................................................................................................................. 121
5.2 Sugestões..................................................................................................................... 124
Referências bibliográficas................................................................................................. 125
ix
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1: Computador Whirlwind sendo testado no MIT em 1951................................. 19
Figura 2.2: Exemplo da linguagem APT............................................................................. 20
Figura 2.3: Trecho de um arquivo CL (Cutter Location).................................................... 21
Figura 2.5: Trecho de código ISSO (código G) de 1970..................................................... 21
Figura 2.6: Sólido gerado a partir de operação de revolução.............................................. 26
Figura 2.7: Curva de Bézier e seus pontos de controle....................................................... 27
Figura 2.8: Polinômios de Bernstein com a ordem no intervalo de 0 a 2............................ 28
Figura 2.9: Exemplo de B-Spline pontos de controle e nós (knots).................................... 28
Figura 2.10: Cônica descrita por uma curva NURBS e seus pontos de controle................ 30
Figura 2.11: Seções Cônicas (circulo, elipse, parábola, hipérbole)..................................... 31
Figura 2.12: (a) NURBS descontínua, problemática para modelagem de superfícies
(b) Gráfico de curvatura da NURBS mostrando sua descontinuidade................................ 32
Figura 2.13: Representação ambígua de um objeto em representação wireframe.............. 34
Figura 2.14: UG NX 3, exemplo de sólido e árvore booleana............................................ 35
Figura 2.15: Geração de trajetória segundo o método isoparamétrico................................ 39
Figura 2.16: Pá de turbina Hidráulica fabricada por fresamento 5-eixos............................ 42
Figura 2.17: Eixos rotativos usados para posicionamento (desbaste em 3+2 eixos)........... 43
Figura 2.18:Operação de desbaste do tipo Z-level.............................................................. 44
Figura 2.19: Vetores normais são referencias para inclinação da ferramenta..................... 45
Figura 2.20: Verificação de trajetória com a retirada dinâmica de material....................... 46
Figura 2.21: Verificação de trajetória sem a retirada dinâmica de material........................ 47
Figura 2.22: Simulação de máquina-ferramenta................................................................. 49
Figura 2.23: Classificação de máquinas-ferramenta 5-eixos............................................... 52
Figura 2.24: Influências sobre o fresamento 5-eixos........................................................... 53
Figura 2.25: a) Máquina-ferramenta 3-eixos XYZ
b) Máquina-ferramenta 5-eixos XYZ no fuso e AC na mesa.............................................. 55
Figura 2.26: Volume gerado pelo movimento 5-eixos da ferramenta................................. 56
Figura 2.27: Aproximação 2D da trajetória 3D da ferramenta de corte.............................. 57
Figura 2.28:Inclinação do cabeçote no fresamento de estampo.......................................... 61
Figura 2.29: Ferramenta de corte admitida como uma viga engastada............................... 63
Figura 2.30: Ferramenta de corte e seus modos de vibração.............................................. 64
x
Figura 2.31: Rugosidade teórica (Rth) na direção transversal ao avanço............................ 64
Figura 2.32: Rugosidade teórica (Rth) na direção longitudinal ao avanço.......................... 65
Figura 2.33: Comportamento da rugosidade real................................................................ 67
Figura 2.34: Características geométricas no fresamento 5-eixos........................................ 69
Figura 3.1: Máquina-ferramenta utilizada nos ensaios........................................................ 71
Figura 3.2: Módulos do UG NX3, Modeling, Manufacturing, IS&V e PostBuilder…….. 73
Figura 3.3: Rugosímetro utilizado nas medições de rugosidade das superfícies................ 74
Figura 3.4: Equipamento utilizado para medição de peça................................................... 75
Figura 3.5: Método aplicado aos ensaios............................................................................ 76
Figura 3.6: Impelidor de turbina a gás escolhido para o estudo.......................................... 79
Figura 3.7: Modelo do impelidor escolhido para os testes.................................................. 80
Figura 3.8: Superfícies utilizadas para avaliação de geração de trajetória.......................... 81
Figura 3.9: Inclinação da ferramenta de com relação a normal a superfície....................... 82
Figura 3.10: Analise Gaussiana (Curvatura Gaussiana) de superfícies............................... 83
Figura 3.11: Desbaste da geometria.................................................................................... 85
Figura 3.12: Estratégia para acabamento das superfícies.................................................... 87
Figura 3.13: Características geométricas da máquina-ferramenta...................................... 88
Figura 3.14: Modelo CAD da maquina ferramenta simulada............................................. 89
Figura 3.15: Sistema para aquisição de dados em tempo real do CNC............................... 91
Figura 3.16: Tolerância (intol/outol) para programação CAM........................................... 92
Figura 3.17: Teste de interpolação de trajetória de ferramenta........................................... 92
Figura 3.18: Dispositivo de fixação para a fabricação do componente............................... 94
Figura 3.19: Direção das medições de rugosidade realizadas na peça................................ 95
Figura 3.20: Montagem em bancada para medição de rugosidade..................................... 96
Figura 3.21: Inspeção da geometria estudada no trabalho.................................................. 97
Figura 4.1: Procedimento de modelagem das pás de um compressor................................. 99
Figura 4.2: Parametrização original e superfície após operações booleana (trimming)...... 100
Figura 4.3: Geração de trajetória de ferramenta na superfície............................................ 100
Figura 4.4: Superfícies utilizadas para avaliação de geração de trajetória.......................... 101
Figura 4.5: Trajetórias gerada para superfície com complexidade de borda 1.................... 102
Figura 4.6: Trajetória gerada para superfície com complexidade de borda 2 e β 15º....... 103
Figura 4.7: Trajetória gerada para superfície com complexidade de borda 2 e β 45º....... 103
Figura 4.8: Trajetória gerada para superfície com complexidade de borda 2 e α 15º....... 104
xi
Figura 4.9: Trajetória gerada para superfície com complexidade de borda 2 e α 45º....... 104
Figura 4.10: Trajetória gerada para superfície com complexidade de borda 3................... 105
Figura 4.11: Analise Gaussiana após remodelagem............................................................ 106
Figura 4.12: Descontinuidade na superfície de proteção..................................................... 107
Figura 4.13: Velocidade para fz = 0,1 mm/z e tol.CAM de 0,025 mm............................... 108
Figura 4.14: (a) Interpolação linear, (b) Interpolação Circular, (c) Interpolação
Polinomial............................................................................................................................ 109
Figura 4.15: Tempo X Tolerância CAM para: (a) Linear (b) Circular e (c) Polinomial..... 110
Figura 4.16: Velocidade para fz = 0,3mm/z para as interpolações: (a) Linear (b) Circular
(c) Polinomial...................................................................................................................... 111
Figura 4.17: Simulação de processo de fresamento 5-eixos................................................ 113
Figura 4.18: Perfis das pás submetidas a operações de acabamento................................... 114
Figura 4.19: Rugosidade da superfície de sucção para o maior Rz..................................... 116
Figura 4.20: Rugosidade da superfície de pressão para o maior Rz.................................... 117
Figura 4.21: Rugosidade da superfície de sucção para o menor Rz.................................... 118
Figura 4.22: Rugosidade da superfície de pressão para o menor Rz................................... 119
Figura 4.23: Erro de forma encontrado nas medições feitas............................................... 120
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1: Comparativo entre modelagem de superfícies e modelagem de sólidos........... 38
Tabela 2.2: Características do corte discordante e concordante.......................................... 68
Tabela 3.1: Liga de alumínio classe 7000 propriedades mecânicas e composição química 70
Tabela 3.2: Ferramentas utilizadas na fabricação do componente....................................... 72
Tabela 3.3: Parâmetros utilizados para geração das trajetórias............................................ 82
Tabela 3.4: Parâmetros de corte utilizados na fabricação do componente.......................... 86
Tabela 3.5: Matriz de teste para os ensaios de interpolações............................................... 92
Tabela 3.6: parâmetros utilizados no rugosímetro............................................................... 97
xiii
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS β – (Inclinação da ferramenta na direção paralela a direção de avanço)
σ – Desvio padrão
α – Inclinação da ferramenta na direção transversal a direção de avanço)
ae – Profundidade de corte radial
ap – Profundidade de corte axial
APT – Automatically Programmed Tools
CAD – Computer Aided Design
CAM – Computer Aided Machining
CL – Cutter Location
CTA – Comando – Geral de Tecnologia Aeroespacial
DIN – Deutsches Institut für Normung
fz – Avanço por faca ou gume cortante
GKS – Graphical Kernel System
GUI – Graphic User Interface
HSM – High Speed Machining
IGES – Initial Graphics Exchange Specifications
ISO – International Organization for Standardization
ITA – Instituto Tecnológico de Aeronáutica
KBM – Knowledge Based Machining
NC – Numerical Control
NURBS – Nonunifome Rational B-Spline
OpenGL – Open Graphics Library
PCs – Personnel Computers
PLM – Product Life-Cycle Management
xiv
Rth – Rugosidade teoria na direção transversal ao avanço da ferramenta
Rthf – Rugosidade teórica na direção de avanço da ferramenta
SGI – Silicon
vc – Velocidade de corte
WIMP – Window Icon Menu Pointer
15
1 Introdução
Neste capítulo é introduzido o assunto fresamento 5-eixos de componentes de turbinas a
gás e são apresentados os elementos motivadores do presente trabalho. Em seguida, os
objetivos gerais e específicos são delineados, bem como as contribuições que se pretende
prover.
1.1 Histórico e motivação
Projetos de turbinas a gás no CTA (Comando Geral de Tecnologia Aeroespacial)
nasceram praticamente junto com o próprio CTA. Entretanto, desenvolvimentos nessa área
somente tomaram proporções consideráveis na década de 70, com a criação de um programa
de pesquisa dedicado a essa área. O CTA dava os seus primeiros passos para
desenvolvimentos significativos [1].
O CTA conta com um moderno laboratório especialmente dedicado a turbinas a gás
(Centro El Passo de referência em Turbinas a Gás), com uma bancada de testes para turbinas e
uma câmara para testes de combustão. Estes laboratórios se dedicam ao projeto e
desenvolvimento de pequenas turbinas a gás [2].
Com o advento da indústria aeroespacial, centenas de turbinas a gás foram importadas.
No entanto, a indústria de manufatura local não foi impulsionada nesse mesmo compasso.
Esse fato serve de motivação para o desenvolvimento dessa tese, bem como, a de fornecer
opções a matriz energética nacional possibilitando a fabricação desses componentes no país a
custos menores. Assim, pode-se deslumbrar o uso desses sistemas por uma parcela maior da
sociedade possa desfrutar de mais essa opção de fornecimento de energia. Além dessas
motivações, existe toda uma estrutura montada no Centro de Competência em Manufatura
(CCM) que possibilita a fabricação dos componentes mais complexos de turbinas a gás.
16
1.2 Escopo do trabalho
O objeto desta tese é o desenvolvimento de um método de utilização da tecnologia Five
Axes Machining (fresamento 5-eixos) na fabricação de componentes de turbinas a gás.
Procura-se com esse método assegurar um melhor uso desta tecnologia na fabricação deste
tipo de componentes. Dentro desse contexto os objetivos desse trabalho foram delineados e
são apresentados a seguir:
1. Definir um método integrado para modelagem em CAD (Computer Aided Design) e
fabricação em CAM (Computer Aided Manufacturing) para geometrias complexas
(free–form surfaces) encontradas em componentes de turbinas a gás. Procurou–se com
isso integrar sistemas CAD/CAM através de boas práticas de modelagem e troca de
informação entre sistemas das superfícies encontradas nesses componentes;
2. Definir e avaliar variáveis CAD/CAM para fresamento 5–eixos;
3. Avaliar a simulação cinemática da máquina–ferramenta no processo de fresamento 5–
eixos. Nesta etapa, objetivou-se definir um modelo cinemático para a máquina–
ferramenta do estudo, com a justificativa de prevenir colisões e avaliar o processo de
pós–processamento;
4. Avaliar diferentes interpolações de trajetória de ferramenta numa máquina–ferramenta
de construção conhecida. Nesta etapa, objetivou–se obter informações a respeito dos
movimentos dos eixos da máquina–ferramenta, adquirindo informações a respeito do
deslocamento e a velocidade dos eixos da máquina-ferramenta;
5. Avaliar os resultados da aplicação do método a partir da qualidade das superfícies de
pressão e sucção de compressores utilizando diferentes parâmetros de corte, através de
técnicas conhecidas para análise de superfícies de engenharia.
17
1.3 Contribuições
A contribuição esperada deste trabalho atinge a indústria nacional. Foram Mostradas
algumas nuances do fresamento 5-eixos que não são observadas e por vezes ignoradas quando
se esta utilizando fresamento 3-eixos.
Ainda como contribuição é apresentado um método para utilização das tecnologias CAD
(Computer Aided Design), CAM (Computer Aided Manufacturing) e Five Axes Machining
(fresamento 5-eixos) de forma condizente com os apelos produtivos que se vê na literatura.
1.4 Estrutura do trabalho
O presente trabalho apresenta a seguinte estrutura:
Capitulo 2: Será feita uma revisão bibliográfica a respeito do assunto CAD/CAM/CNC
com a justificativa de contextualiza o trabalho numa realidade industrial existente.
Capitulo 3: Neste Capitulo, são definidos os experimentos realizados no trabalho. Além
disso, são descritos também os equipamentos, instrumentos e insumos utilizados durante os
ensaios.
Capitulo 4: Neste Capítulo, os resultados obtidos nos experimentos são analisados e
discutidos.
Capitulo 5: Neste Capítulo, são feitas a conclusões a cerca do trabalho e também são
feitas sugestões para outros trabalhos que complementem a presente tese.
18
2 Revisão bibliográfica
O presente capítulo destina–se a descrever a fazer uma revisão bibliográfica, a respeito
das variáveis envolvidas no processo de fabricação com sistemas CAD/CAM aplicadas ao
fresamento 5–eixos.
2.1 Sistemas CAD/CAM
Nas subseções seguintes procura-se, primeiramente dar ao leitor uma contextualização
histórica (a longos das décadas) a cerca das tecnologias CAD e CAM. Por fim é feita uma
revisão teórica a cerca do assunto que vai desde dos dois principais metodos de modelagem
para obtenção de geometrias para a engenharia, modelagem de superficies complexas (free
form modeling) e a modelagem de sólidos (solid modeling), passando pela geração de
trajetorias de ferramentas e pós-processamento, até a verificaçao e simulação da trajetória
criada.
2.1.1 Histórico dos Sistemas CAD/CAM
A evolução da computação gráfica está diretamente relacionada à evolução dos
computadores, tendo em vista que as técnicas utilizadas se aperfeiçoaram basicamente
sustentadas pelo avanço do hardware e pelo conseqüente aumento da capacidade
computacional.
Nos anos 50, a Força Aérea Americana financiou um projeto no MIT (Massachusetts
Institute of Technology) para o desenvolvimento do Computador Whirlwind. Como
conseqüência desse projeto, outros desenvolvimentos no Laboratório de Servomecanismos do
MIT foram financiados. Um desses projetos era o desenvolvimento de sistemas
computacionais que hoje se conhece como Controle Numérico ou CN (Figura 2.1).
Inicialmente, o controle numérico desenvolvido servia apenas para explorar e testar o
computador Whirlwind. Essa pesquisa inicial levou a um projeto bem maior sobre o tema
19
controle numérico para fresamento 5–eixos de peças complexas, encontradas em aeronaves da
época [3]. Em 1956 a empresa japonesa FANUC, hoje GE FANUC (junção da GENERAL
ELETRIC com a FANUC Co. japonesa) foi a primeira empresa civil a desenvolver um
controle numérico fora de pesquisas militares [4].
Figura 2.1: Computador Whirlwind sendo testado no MIT em 1951 [5].
Nesta época, cada máquina–ferramenta desenvolvida recebia uma solução diferente para
a adaptação ao comando numérico, o que implicava no desenvolvimento de componentes e
programação dedicada, ficando evidente a necessidade de uma padronização e da criação de
uma linguagem que permitisse a troca de informações entre os diversos ramos da indústria
[6].
A partir de 1958, através dos estudos realizados pela EIA (Electronic Industries
Association), e das decisões tomadas neste fórum, houve a possibilidade da padronização do
formato de entrada, conforme padrão RS–244 (Resolution Standard), regulamentado em 1961
e, mais tarde, em 1967, modificado pela RS–244a (DIN 66016). A instrução EIA RS–358
regulamenta a codificação adotada pela linguagem ISO [7].
20
Na década de 60, a computação gráfica avançou a partir de um programa de desenho, o
Sketchpad, um sistema gráfico de comunicação homem–máquina criado por Ivan Sutherland
[8]. O Sketchpad propunha uma forma de interação muito semelhante à interface WIMP
(Window–Icon–Menu–Pointer). Usando uma caneta ótica, o Sketchpad permitiu que se
obtivessem formas simples na tela do computador, podendo salva–las e até reusá-las
novamente. Ainda hoje, muitos padrões de interface gráfica têm o Sketchpad como base [5].
Também nessa época, começaram aparecer projetos de pesquisas e produtos comerciais
para desenho auxiliado por computador CAD (Computer Aided Design), e de auxílio à
fabricação de produtos da indústria automobilística e aeroespacial, CAM (Computer Aided
Manufacturing) [5].
Nessa mesma década, os software CAM eram caracterizados pela programação manual.
Nos sistemas prevalecia à utilização da linguagem APT (Automatically Programmed Tools)
para a descrição simbólica das geometrias, ferramentas, e procedimentos para o corte, numa
maneira independente da máquina-ferramenta (Figura 2.2) [3].
Figura 2.2: Exem
... 5 PARTNO ELBOW FCGG 6 MULTAX ... 14 CUTTER/0 15 TOLER/.001 … 18 CIR=CIRCLE/0,0,(S/2) 19 LI=LINE/(POINT/X,0), ATANGL, -(Y/(2*(Z-1))) 20 ST) P4(A)=POINT/CIR, ATANGL,ANG 21 P2(A)=POINT/INTOF, LI, (LINE/P4(A), ATANGL,90)… 39 STC=TABCYL/NOZ, SPLINE, PT(1, THRU, 73) 40 INDIRP/PT(1) 41 GO/ON, STC 42 GORGT/STC, ON, (LL=LINE/P1(73), ATANGL, 90) … 82 CALL/POC1, PT=.02, DT=.03, CT=.03, FNCUT=0
plo da linguagem APT. [3].
21
Outras linguagens como Prompt (Automatic Programming of Machine Tool), Adapt
(Air Force Developed APT ou Adaptation of APT), Compact II, Action, entre outras, foram
desenvolvidas a partir da idéia da simplificação dos comandos e das terminologias utilizadas
na programação APT [9]. Numa fase posterior era gerado o posicionamento das ferramentas
(CL–Cutter Location file) para a especificação numérica da trajetória da ferramenta (tool
path) e dados de controle da máquina–ferramenta, ainda preservando a independência da
máquina–ferramenta (Figura 2.3) [3].
$$ PART PROGRAM CUTTER/0 SPINDLE/ON GOTO/3.145, -2.678, 4.006 PPRINT PART IS FINISHED
Figura 2.3: Trecho de um arquivo CL (Cutter Location) [3].
Numa fase final acontece o pós–processamento do código G (linguagem ISO), que
especificava os eixos de movimentação de uma máquina–ferramenta (Figura 2.4) [3].
G-CODE STATEMENT N010 G90 G92 X0 Y0 Z0 N020 S1000 M8 M3 N030 G0 X1.735 Y-4.608 N040 G1 G91 Z-.5 F5.0 N050 G0 Z.5 N060 X0 Y0 M9 M5
Figura 2.4: Trecho de código ISO de 1970 (código G) [3].
Até próximo dos anos 70 o termo CAD nada mais era do que um aplicativo drafting que
servia para criar desenhos 2D. Até que em 1972 foi desenvolvido por engenheiros da Renault,
entre eles o francês Pierre Bézier o sistema CAD UNISURF [10].
22
Atualmente, o termo CAD é tido como uma forma de automação que ajuda projetistas a
preparar modelos 3D e desenhos 2D, especificações, gerar listas de componentes, e outras
tarefas relacionadas a atividades de projeto. A tecnologia CAD é utilizada para uma larga
variedade de produtos de diversas áreas, tais como, arquitetura, eletrônica, aeroespacial,
naval, e engenharia automotiva [11].
Similarmente, o termo CAM é uma forma de automação onde computadores comunicam
instruções de trabalho diretamente a um sistema de manufatura. A tecnologia evoluiu das
máquinas-ferramenta numericamente controladas dos anos 1950, que era feita a partir de um
conjunto codificado instruções codificadas numa fita. Hoje um único computador pode
controlar várias máquinas-ferramenta movendo o produto de maquina em maquina até os
processos de manufatura está completo [11].
Os sistemas CAD/CAM foram desenvolvidos inicialmente, antes do UNISURF, por
matemáticos que não estavam familiarizados com superfícies auxiliares de transição (raios de
canto, chanfros, etc.), onde nos sistemas, essas superfícies eram esquecidas ou mesmo
ignoradas. A forma final de um capô de carro era feita artesanalmente, na qual todos os cantos
e chanfros eram acertados manualmente [10].
GOURAUD em 1971 desenvolveu um novo método de coloração de faces 3D (Gouraud
Shading Method) [12]. No ano de 1972 foi criado um novo algoritmo de cálculo de
visibilidade de superfícies 3D, usando técnicas de ordenação por NEWELL e SANCHA [13].
Este novo algoritmo se destacava por ser extremamente simples, conseqüentemente, ocupava
pouca memória nos discos rígidos, além de ser rápido.
Em 1973 foi desenvolvida na Xerox PARC (Palo Alto Research Center), a primeira
matriz de pixels com 8 bits por pixel [14]. Foi ainda realizada a primeira conferência
SIGGRAPH (Conferencia Internacional em Computação Gráfica e técnicas Interativas) [15].
23
No ano de 1974 foi desenvolvido por Catmull um novo método de visibilidade e
coloração de faces (z-buffer) [16].
Em 1975, Phong desenvolveu um método de coloração de faces 3D capaz de reproduzir
efeitos direcionais de iluminação (reflexões simples) [17]. No mesmo ano, Mandelbrot
desenvolveu a teoria dos fractais [18].
No final da década de 70, em 1977, surgiu a primeira biblioteca gráfica de programação
GKS (Graphical Kernel System) [19]. A biblioteca GKS é um padrão de visualização em 2D;
nela não está incluída a modelagem de elementos 3D [20].
Nos anos 80, viu–se a introdução de sistemas com interfaces gráficas, desaparecendo a
caneta luminosa e as telas vetoriais, dando lugar aos mouses e as matrizes de pixels. Neste
cenário, o hardware e o software eram comprados no mesmo pacote [3].
Em 1982, a SGI (Silicon Graphic Incorporated) foi criada, empresa especializada em
equipamentos para computação gráfica, que liderou mais tarde a criação da biblioteca gráfica
OpenGL. OpenGL é definida como "um programa de interface para hardware gráfico". Se
Pode pensar o OpenGL como uma biblioteca de rotinas gráficas e de modelagem, bi (2D) e
tridimensional (3D). Usando OpenGL é possível criar gráficos 3D com uma qualidade visual
próxima da alcançada com o algoritmo ray tracer. Também no mesmo ano, a SUN, introduziu
o conceito de estação gráfica em rede [5].
Entre 1983 e 1984, com a criação do Macintosh pela Apple, aconteceu a introdução da
GUI (Graphic User Interface), assim tem-se o início de tudo que se conhece hoje em termos
de interface com o usuário [5]. Iniciou-se o emprego de modelos digitais na concepção e
manufatura de produtos. Ainda em 1984 foi desenvolvido um método de síntese de imagem
baseado em teorias de transporte de calor, o qual foi chamado de radiosidade, método que é
resolvido de forma progressiva através de técnicas interativas de resolução de sistemas de
equações lineares. Em 1987 surgiu o primeiro sistema CAD/CAM integrado e chamado
24
EUCLID, software da empresa MATRA DATAVISION, de origem francesa. Ele foi a
primeira plataforma CAD compatível a estações SUN SOLARIS [21].
Ao final dos anos 90, o barateamento do hardware envolvido com as soluções
CAD/CAM fez com essa tecnologia pudesse ser adotada por empresas médias. As indústrias
automobilística e aeroespacial deixaram de ser as que exclusivamente usavam essa tecnologia
[22]. Os PCs baseados na plataforma INTEL tornaram-se o padrão para ambos os aplicativos
CAD e CAM. A migração do “2D” para o “3D” acelerou bastante durante esse período. As
geometrias 3D se tornaram muito comuns em todo o mundo tecnológico. O uso de sólidos
tornou–se difundido, e os software CAM aceitaram o uso dessa definição. Para os sistemas
CAM, os anos 90 mostraram a introdução de re–usinagem automáticas de regiões onde havia
material deixado por uma operação anterior sem a necessidade de gerar a usinagem para toda
peça [23].
Máquinas–ferramenta HSC (High Speed Cutting) que suportavam rotações de 20000
rpm ou mais e comandos CN para atender essas máquinas foram desenvolvidos nos últimos
anos. Consideráveis características foram introduzidas nessa época, tal como o uso de
NURBS no código CN e a conseqüente suavização na transição entre blocos de programas
CN. Essas mudanças nos sistemas CAD/CAM eram efetivamente necessárias para suportar as
mudanças acontecidas em todo o hardware envolvido no processo [23].
Em fevereiro de 2004 a empresa americana de consultoria CIMdata referiu–se aos anos
2000 como a era das Empresas Virtuais, que se baseiam em tecnologias digitais. Muitas
corporações estão migrando para ambientes totalmente sem papel. Existe toda uma
expectativa para que todo o desenvolvimento de um produto seja executado e acompanhado
através de modelos digitais desses processos. A CIMdata considera manufatura digital ou
virtual como sendo uma tecnologia emergente e o elemento chave do gerenciamento do ciclo
de vida do produto. Muitas companhias estão estendendo suas soluções PLM (Product Life
25
Cycle Management) a abordar a engenharia de manufatura, incluindo funções de
planejamento de processos e engenharia de produto e outros elementos do ciclo de vida do
produto. Segundo CHRISTMAN a “questão CAM” está sendo tratada nos anos 2000 da
seguinte forma [23]:
• Operabilidade e forte parceria entre produtos de empresas distintas de software,
permitindo co–existência numa solução integrada.
• O uso de funcionalidades orientadas graficamente, voltadas para todas as aplicações
dos software CAM.
• Software específicos para determinadas aplicações têm sido criados, tentando alcançar
determinados usuários (fresamento 5–eixos, softwares para programação na própria
máquina–ferramenta).
• Uso de modelos híbridos utilizando sólidos e superfícies para obter as vantagens que
ambos podem oferecer.
• O ressurgimento do fresamento 5–eixos de posicionamento (fresamento 3+2) e o
fresamento 5–eixos simultâneos como uma técnica de custo aceitável em consideração
a sua produtividade.
• A introdução de software CAM com filosofia KBM (Knowledge Based Machining) ou
softwares baseados no conhecimento do processo de usinagem, a partir de
personalizações (custumizations) feitas no software pelo próprio usuário ou empresas
especializadas.
2.1.2 Modelagem de superfícies complexas
A modelagem de produtos com geometria complexa pode ser feita com várias técnicas.
Estas podem ser divididas em dois grandes grupos, as que necessitam de dados de entradas
como por exemplos dados de digitalização (fitting techniques) e as que não necessitam de
nenhum conhecimento prévio do que se quer modelar (ab initio techniques) [20]. Para o
26
primeiro grupo podem-se citar as curvas e superfícies do tipo spline e para o segundo as
curvas e superfícies de Bézier e B-splines.
Mesmo com a variedade de técnicas existentes para a modelagem de geometrias
complexas ainda se encontra casos onde os projetistas não às utilizam preferindo o uso de
geometrias como retas e cônicas. Como conseqüência dessa prática, pode–se obter modelos
tridimensionais com suas superfícies descontinuas. Essas descontinuidades são prejudiciais a
etapas posteriores do desenvolvimento do produto, tais como, analise através de elementos
finitos e a própria fabricação das superfícies.
A Figura 2.5 mostra descontinuidades numa das superfícies do sólido de revolução
gerado a partir do perfil também mostrado na figura. A descontinuidade é ocasionada pelas
curvas geratrizes do perfil serem elementos geométricos distintos (duas linhas e um arco).
Figura 2.5: Sólido gerado a partir de operação de revolução.
A geometria mostrada na Figura 2.5 é tipicamente encontrada em componentes de
turbinas a gás, cubo (hub de um impelidor). Devido a exigências de fabricação do
componente faz–se necessário o uso de uma única e contínua superfície para a geometria
mostrada em substituição ás três existentes no modelo (superfície funcional única). O que
aconteceu com esse modelo é que a condição de continuidade foi imposta as curvas geratrizes
essa condição não e satisfeita para a superfície de revolução gerada.
27
A troca de informação entre os vários sistemas CAD/CAM existentes é realizada, muitas
vezes, no formato de superfícies 3D. Desde 1983, o formato IGES (Initial Graphics Exchange
Standard) é frequentemente utilizado para troca de informações entre vários sistemas
CAD/CAM existentes [20]. As curvas e superfícies B-Spline racionais são o padrão utilizado
para representação de geometrias 2D e 3D. Isso explica, em parte, o uso de NURBS (Non-
Uniform Rational B-Splines) para modelagem de formas complexas com o passar dos anos.
Além disso, disso existem outras vantagens relacionadas ao o uso de NURBS na modelagem
de superfícies complexas [24]:
• Oferece uma forma canônica para a representação de formas analíticas e complexas
(free form);
• Fornece a flexibilidade para a modelagem de uma larga variedade de formas;
• Podem ser encontrados por algoritmos numericamente estáveis e precisos;
• Oferece boa interpretação geométrica e poderosas ferramentas geométricas;
• São generalizações das representações de curvas e superfícies B-Spline não
racionais, Bézier racionais e Bézier não-racionais [25].
As curvas racionais de Bézier são definidas por polígonos de controle um exemplo pode
ser visto na Figura 2.6.
Figura 2.6: Curva de Bézier e seus pontos de controle [26].
28
( )( )∑
∑=
== n
i iri
n
i iiri
wtB
PwtBC
0 ,
0 , Eq. 2.1
Onde r é a ordem, são os polinômios de Bernstein (Eq. 2.2). Na Figura 2.7 são
mostrados os polinômios de Bernstein com a ordem do polinômio no intervalo de 0 a 2. Na
Figura 2.6 são mostrados ainda os pontos de controle , e pesos do ponto dos controle
[26].
( )tB ri,
iP iw
)(, )1(
)!(!!)( rir
ri ttrir
itB −−−
= Eq. 2.2
Figura 2.7: Polinômios de Bernstein com a ordem do polinômio no intervalo de 0 a 2 [27].
Do ponto de vista matemático, uma curva gerada a partir dos vértices de um polígono de
controle é dependente de algum método de interpolação ou aproximação para estabelecer a
relação entre a curva e o polígono de controle. Esse método de interpolação é definido quando
se escolhe a função base. No caso da curva de Bézier a função base utilizada são os
polinômios de Bernstein. Uma curva B- Spline que é mostrada na Figura 2.8 é a generalização
das curvas de Bézier [26].
Figura 2.8: Exemplo de B-Spline, pontos de controle e nós (knots).[26].
29
Considere que um vetor conhecido como vetor nodal (knot vetor) seja definido como
segue:
},...,,{ 21 mtttT = Eq. 2.3
onde T é uma seqüência de números não decrescente com [ ]1,0∈it e definem os pontos
de controle . nPPP ,...,, 10
Define-se como grau p o seguinte argumento matemático:
1−−= nmp Eq. 2.4
onde m é o numero de nós e n é numero de pontos de controle.
Define-se a função base como:
( )
( ) ( ) ( )tNtttttN
tttttN
ContrárioCasotttttse
tN
pipiipi
ii
iiiii
1,11,0,
110, 0
e 1
−+−+
++
−−
+−−
=
⎩⎨⎧ <<≤
= Eq. 2.5
A curva B–Spline (Base Splines), portanto é da forma:
( ) ( )∑=
=n
ipii tNPtC
0,
Eq. 2.6
Entretanto, uma das falhas desse equacionamento matemático é a necessidade de
informações extras para definição de formas relativamente simples [24]. Por exemplo, para se
definir um circulo precisasse do centro do circulo e de seu raio ou diâmetro, entretanto, se
uma B-Spline é utilizada para definir um circulo são utilizados 4 pontos de controle (Figura
2.9). Uma curva NURBS é definida por quatro entidades matemáticas: grau, pontos de
controle, nós (knots), e uma regra de avaliação.
30
Figura 2.9: Cônica descrita por uma curva NURBS e seus pontos de controle.
O grau ( p ) é um número inteiro positivo, que é usualmente 1, 2, 3 ou 5. Linhas e poli–
linhas tem usualmente grau 1, círculos NURBS têm grau 2, e a maioria das curvas de forma
complexa tem grau 3 ou 5. Algumas vezes os termos linear, quadrática, cúbica, e quíntica são
usados para descrever os graus dessas curvas. Linear significa grau 1, quadrática significa
grau 2, cúbica significa grau 3, e quíntica significa grau 5. A ordem de uma curva NURBS é
um numero positivo igual a (p+1). É possível aumentar o grau de uma curva NURBS e não
mudar a sua forma, mas, o mesmo, não acontece quando se reduz o grau [20].
O número dos pontos de controle é pelo menos (p+1) pontos. Uma das formas mais
fáceis de mudar a forma de uma curva NURBS é mover seus pontos de controle. Os pontos de
controle têm um número associado a cada um deles chamado peso. Com poucas exceções, os
pesos são números positivos. Quando os pontos de controle têm o mesmo peso (usualmente
1), a curva é chamada de não–racional, de outra forma, a curva é chamada racional. Na
prática, a maioria das curvas NURBS são não–racionais. Poucas curvas NURBS são sempre
racionais, por exemplo, seções cônicas (círculos, elipses, hipérbole e parábolas) (Figura 2.10)
[29].
31
Hipérboles
Parábola
Círculo
Hipérboles Elipse
Figura 2.10: Seções Cônicas (circulo, elipse, parábola, hipérbole) [30].
O vetor nodal tem a mesma definição encontrada em curvas B–Splines. Esse vetor deve
satisfazer várias exigências. A forma padrão para assegurar que estas exigências sejam
satisfeitas, é limitar o número de valores duplicados no vetor nodal a menor ou igual ao grau p
da curva. O número de vezes que um componente do vetor nodal é duplicado é chamado
multiplicidade. Um nó é dito ser de multiplicidade completa se ele é repetido n vezes e
simples se o nó é repetido uma vez [29].
Por exemplo, se uma curva NURBS de grau 3 com 7 pontos de controle tem o vetor
nodal na forma 0, 0, 0, 1, 2, 3, 4, 4, 4, o vetor nodal é uniforme. Já o vetor 0, 0, 0, 1, 2, 5, 5, 6,
6, 6 é não-uniforme. As letras N e U em NURBS significam Não-Uniforme (non-uniform) e
indicam que o vetor nodal numa curva NURBS é permitido ser não-uniforme. Valores
duplicados no meio desse vetor fazem com que uma curva NURBS seja menos suave. Um
vetor nodal que tenha multiplicidade completa nos seus valores intermediários significa existir
um ponto na curva que pode ter uma descontinuidade geométrica (corner). O que ocasiona
problemas na geração de superfícies (Figura 2.11) [29].
32
Figura 2.11: (a) NURBS descontínua, problemática para modelagem de superfícies. (b) Gráfico de curvatura da NURBS evidenciando sua descontinuidade.
Por essa razão alguns projetistas gostam de adicionar e remover nós e então ajustar os
pontos de controle para criar curvas suaves. Uma vez que o numero de nós m é igual a (n+p-
1), onde n é o numero de pontos de controle, quando se adiciona nós também se adiciona
pontos de controle e vice-versa. Nós (knots) podem ser adicionados sem mudar a forma da
curva NURBS original. No entanto, quando se removem nós, se altera a forma original da
curva [29].
A equação de uma curva recebe um número e atribui a um ponto. A equação de uma
curva NURBS é uma equação, que envolve o grau, pontos de controle, e nós (Eq. 2.6).
( ) ( )( )∑
∑=
== n
i iri
n
i iiri
wtN
PwtNtC
0 ,
0 , Eq. 2.7
onde r é a ordem da NURBS, são as funções base B-spline, são os pontos de
controle, e é o peso do ponto de controle [25]. De forma similar, para uma superfície B-
Spline não-uniforme de grau (r, q) tem-se:
riN , iP
iw iP
( )( ) ( )( ) ( )∑ ∑
∑ ∑= =
= == m
i
n
j jiqjri
m
i
n
j jijiqjri
wvNuN
PwvNuNvuS
0 0 ,,,
0 0 ,,,,,
Eq. 2.8
33
onde e são as funções base B-spline, são os pontos de controle, e é o
peso do ponto [31].
riN , qiN , jiP, jiw ,
jiP,
2.1.3 Modelagem de sólidos
Desde sua introdução a mais de uma década, os sistemas CAD/CAM que usam
modelagem sólida estão cada vez mais populares. No início essa tecnologia era encontrada
apenas nas grandes corporações aeroespaciais e automobilísticas. Segundo FARIN, quando a
modelagem sólida tornar-se totalmente aceita, ela será hábil a incorporar superfícies e curvas
complexas (free-form curves and surfaces) [10]. Nota-se que FARIN estava correto
principalmente, pelo que se pode presenciar atualmente nos sistemas CAD/CAM[10].
Como um campo de estudo, área do conhecimento, etc., pode-se dizer que a modelagem
sólida é um ponto de convergência de varias outras áreas em desenvolvimento como por
exemplo, sistemas para desenho 2D (drafting), sistemas para modelagem de superfícies
complexas (free-form surfaces) [32].
Os primeiros esforços para automatizar os sistemas drafting resultaram em sistemas de
modelagem wireframe. Eles são considerados a primeira contribuição para criação de
sistemas com modelagem de sólido. Nesses sistemas (wireframes) somente as arestas, e
vértices dos objetos são representados. Essa é de certa forma uma representação natural,
assumindo–se que o objetivo é gerar linhas de desenho de um projeto de engenharia,
projetadas em certas direções (gerar vistas ortográficas de um objeto 3D). Infelizmente,
podem existir ambigüidades na interpretação nessa forma de representação [32]. Um simples
exemplo dessas ambigüidades é mostrado na Figura 2.12.
34
Representação de sólidos através de
wireframe
Representação de sólido através de
rendering
Figura 2.12: Representação ambígua de um objeto em representação wireframe.
A Figura 2.12 mostra um bloco com um furo chanfrado que passa através do centro.
Não é possível deduzir através de uma representação em wireframe qual a direção do furo,
desde que ele aparentar ter as três direções principais. Por conta dessas ambigüidades,
wireframe não é a representação preferida para objetos 3D. Por outro lado, os objetos
representados ocupam pouco espaço de memória podendo ser acessados rapidamente.
Wireframe constituem uma forma de visualização satisfatória em muitas situações, e pode
fornecer rápidas informações ao projetista. Por essa razão, muitos sistemas ainda oferecem a
possibilidade de gerar visualizações em wireframe [32].
Baseados na modelagem sólida, algorítmos podem ser desenvolvidos para algumas
aplicações tais como, obtenção de massa e peso de componentes, centro de gravidade,
momento de inércia, analises com o método dos elementos finitos, compilação de tecnologia
de grupo e planejamento de processos [33].
35
A integração CAD/CAM está diretamente relacionada à cooperação e colaboração entre
essas duas tecnologias presentes no ciclo de vida de um produto. Essa integração é
extremamente beneficiada com o uso de modelagem sólida. Um modelo sólido pode ser
carregado num ambiente CAM e rapidamente analisado através de algoritmos de
reconhecimento de características (features) [33]. Há sistemas que mesmo depois de
carregado, o modelo não perde sua ligação com o ambiente de origem (CAD). Essa tecnologia
possibilita a rápida atualização de programas CN [34].
As duas formas mais usadas para representação de sólidos são CSG (Construtive Solid
Geometry) e B-rep (Boundary Representation). Na representação CSG, o sólido é uma árvore
booleana constituída de objetos primitivos (cilindros, cones, esferas e blocos) e operadores
booleanos (Figura 2.13). Na representação B-rep, um sólido é modelado através das
superfícies que o delimita. Desta maneira o sólido é matematicamente representado
explicitamente [33].
Figura 2.13: UG NX 3, exemplo de sólido e árvore booleana.
36
As duas formulações podem ser utilizadas em ambientes CAM. Entretanto, um sólido
em CSG é implicitamente definido; isto é, sua forma não é conhecida sem as operações
booleanas associadas. Um sólido representado em B-Rep é explicitamente definido; suas
geometrias primitivas, isto é, faces, arestas e vértices são interpretadas como informações de
baixo nível (informações muito especificas) e não podem ser utilizadas no desenvolvimento
de algumas aplicações, tais como planejamento de processos que utilizam algoritmos de
reconhecimento de características (features) [33].
A modelagem B-rep possui algumas vantagens sobre a CGS, principalmente no tocante
a versatilidade na geração de modelos complexos e na velocidade de verificação de relações
topológicas. Isto acontece devido à maneira como o método registra as informações do
modelo, armazenando os parâmetros das arestas e faces de forma explícita [35].
Os métodos de modelagem sólida CSG e B-rep são frequentemente combinados para
gerar modelos 3D. Cada um desses métodos possui suas limitações, geometrias de difícil
modelagem podem ser geradas mais facilmente usando a combinação de ambos os métodos.
A maioria dos sistemas modeladores de sólido de grande porte utiliza tanto o método CSG
quanto o B-rep [35].
Na literatura, uma característica (feature) é considerada como uma informação de alto
nível apropriada para o desenvolvimento de planejamento automático de processos que pode
ser diretamente ligada a um sistema CAD [36]. As Features podem ser pensadas como formas
primitivas de engenharia com relevância a alguma tarefa de engenharia [35]. O significado
técnico de uma feature pode envolver a função para qual ela foi criada, como ela pode ser
produzida, que ações a sua presença deve desencadear, que formas de fabricá-las estão
disponíveis, etc.
A modelagem por features com os anos vem ganhando espaço principalmente no
desenvolvimento de componentes mecânicos. O método permite criar entidades geométricas
37
simples tais como furos, chanfros, rasgos, etc. A modelagem por features é baseada na idéia
de se modelar utilizando blocos de construção (building blocks) [37]. Ao invés de se usar
formas analíticas como paralelepípedos, cilindros, esferas e cones como geometria primitiva,
o usuário cria modelos do produto usando geometria primitiva de maior nível, portanto, mais
relevantes para sua aplicação específica. Esta abordagem faz com que os sistemas de
modelagem sólida fiquem mais fáceis de serem utilizados. Entretanto, o conjunto fixo de
features oferecido pelos atuais modeladores ainda é limitado fazendo com que as
possibilidades do projetista sejam escassas. Essa limitação mostra que as features devem ser
adaptáveis aos usuários e que as bibliotecas de features devam ser extensíveis.
Muitas pesquisas têm sido feitas na extração de características de usinagem (machining
features) a partir dos contornos de um modelo ou a partir das características (features) de uma
peça e a transformação das características de usinagem num processo de usinagem usando
regras definidas em processo baseado no conhecimento. Entretanto, a integração baseada na
associação ao nível de características (features)-operações não é eficiente como ao nível de
peça-processo onde uma peça é diretamente associada com operações de usinagem, e a
parâmetros de usinagem [37][38].
GAO (2004) propôs um método para extração de características (features) de
usinagem[39]. Segundo ele uma feature é um meio de informação na integração
CAD/CAPP/CAM. Existem diferentes pontos de vistas do que seja uma feature. A do
projetista CAD que tem uma feature como uma característica de forma relacionada à função
do componente, à intenção de projeto ou à metodologia para construção do modelo. A do
programador CAM que considera uma feature uma forma geométrica associada a distintas
operações de usinagem.
A modelagem sólida paramétrica permite que se criem modelos de produtos com
dimensões parametrizadas. As dimensões podem ser ligadas através de expressões
38
matemáticas. Ligações bidirecionais entre o modelo e o dimensionamento permitem a
regeneração automática de modelos depois de mudanças dos parâmetros e atualização
automática das dimensões relacionadas. Os sistemas CAD paramétricos que não provêem esta
bi-direcionalidade, devido à complexidade envolvida penalizam o projetista. Este tem que
pensar na estruturação das ligações dimensionais antecipadamente, sem o que, a alteração do
modelo pode implicar em que ele seja refeito [35].
Nos últimos anos, o número de usuários de modelagem sólida vem aumentando e esses
usuários vêm encontrando algumas dificuldades. Principalmente no que se refere às
limitações em algumas áreas de geração de superfícies complexas. Essas dificuldades fazem
com que os sistemas cada vez mais, estejam incorporando módulos para modelagem de
superfícies complexas (Free Form Modeling) [40].
A Tabela 2.1 faz uma síntese das seguintes vantagens da modelagem de superfícies
sobre a modelagem de sólidos e vice-versa [40].
Tabela 2.1: Comparativo entre modelagem de superfícies e modelagem de sólidos.
Modelagem de superfícies Modelagem de sólidos Mais flexível na modelagem de geometrias complexas (manipulação dos pontos de controle)
Fácil de Aprender/usar
Capacidade de modelagem interativa Parametrização e associabilidade dos modelos
Rápida criação e atualização de componentes complexos
Rápida criação e atualização de montagens (assemblies)
Excelente para criação estética e ergonômica de modelos complexos
Excelente para criação de modelos funcionais
2.1.4 Geração de trajetória de ferramenta
O fresamento de componentes de turbinas á gás que envolve superfícies complexas
necessita de fresamento em 5-eixos. Essa necessidade é justificada pelo aumento significativo
39
de eficiência do processo a partir dessa técnica com o uso de poucas, se não uma, fixação, e
melhores condições de contato da ferramenta de corte e a peça. Entretanto, os sistemas CAM
que possuem módulos para fresamento 5-eixos têm a sua geração de trajetória de ferramenta,
ainda muito dependentes do nível de conhecimento e da interação do usuário. Uma das
desafiadoras tarefas encontradas na literatura é a geração de trajetórias de ferramentas, livres
de erros, sem a interferência e a experiência do programador CAM [41][42][43][44]. Para a
geração de trajetória de ferramentas vários métodos têm sido desenvolvidos [45][46]. Os
métodos comumente usados podem ser classificados como:
• Métodos iso-paramétricos [47][48][49];
• Métodos iso-planares ou cartesianos [50][51][52];
• Métodos com altura de cristas constante (iso-scallop) [53][54][55][56].
Devido à complexidade geométrica das superfícies dos componentes aqui tratados é
difícil obter uma trajetória de ferramenta ótima. Os métodos tradicionais (iso-paramétricos,
iso-planares e iso-scallop) iniciam a determinação da trajetória a partir das bordas da
superfície. A trajetória adjacente à última é determinada baseada nesta e assim por diante
(figura 2.14).
Desta maneira, contanto que uma borda inicial seja selecionada, toda a trajetória da
ferramenta é quase que totalmente determinada. Apesar de que os métodos tradicionais
considerem a geometria da superfície localmente durante a geração da trajetória, essa
consideração é limitada a uma verificação de invasão da superfície pela ferramenta
[57][58][41].
40
Figura 2.14: Geração de trajetória segundo o método isoparamétrico.
Dois critérios são geralmente usados para avaliar as estratégias de corte implementadas
nos sistemas CAM. O primeiro preocupa-se com a validade da estratégia e o segundo com a
eficiência [48].
[59] sugeriu que a trajetória ótima no fresamento 5-eixos são as que são paralelas às
bordas mais longas de uma superfície. MARCINIAK e KRUTH analisaram as direções de
corte conjuntamente as propriedades geométricas de superfícies [60][61]. Eles concluíram que
a direção ótima de corte acompanha a maior profundidade radial de corte (ae), quando a
trajetória da ferramenta se alinha à curvatura principal de uma superfície. SARMA mostrou
que trajetórias adjacentes não são paralelas umas as outras em superfícies complexas [62]. O
passo lateral (ae) entre duas trajetórias adjacentes não é necessariamente igual.
O método isoparamétrico para a geração de trajetória leva a vantagem da representação
paramétrica da superfície e é o método de geração mais frequentemente utilizado. Mantendo-
41
se um dos parâmetros constantes, as curvas isoparamétricas são formadas e empregadas para a
geração da trajetória de ferramenta [49].
As trajetórias de ferramenta isoparamétricas são frequentemente mais densas em
algumas regiões das superfícies do que outras devido à transformação não uniforme entre o
espaço paramétrico 2D e Euclidiano [48]. Isso resulta numa distribuição de altura de crista
não-uniforme na superfície usinada e tempo de usinagem não otimizado devido aos passes
redundantes [63].
No processo CAD/CAM, um objeto sólido é freqüentemente representado por uma
combinação de duas ou mais entidades geométricas genéricas. Desta forma, superfícies
parametrizadas predefinidas, usualmente estão sujeitas as operações booleanas de trimagem
(trimming) ou alargamento (extending). Usualmente, as curvas de intersecção que são
resultado das operações booleanas mencionadas (trimming) não coincidem com as curvas
isoparamétricas originais. Como resultado, as curvas iso–paramétricas originais não estão
mais adaptada às bordas. Consequentemente, quando as superfícies são submetidas a
processos de geração de trajetória de ferramenta essa trajetória pode não ser satisfatória [64].
Portanto, a tarefa de reparametrizar superfícies trimadas (trimmed surfaces) é de
fundamental importância se essas superfícies estão numa cadeia CAD/CAM. O método de
interpolações algébricas ou interpolação bilinear (Coons method) [10][20] e o método de
Laplace [64][65] são os dois principais métodos existentes, o primeiro por sua simplicidade e
o segundo por resolver alguns problemas do primeiro. Em ambos os métodos, o domínio
paramétrico 2D da superfície trimada é reparametrizado num novo domínio paramétrico 2D
unitário. Depois trajetórias de ferramentas são geradas de acordo com o novo conjunto de
parametrização.
Em teoria, as estratégias principais para fresamento de superfícies complexas em 5-eixos
podem ser classificadas em fresamento de topo (com a ponta da ferramenta) e fresamento
42
periférico (com a periferia da ferramenta). Em geral, o primeiro utiliza ferramentas de topo
toroidal (topo reto com raio) no fresamento de grandes superfícies, como as pás de turbinas
hidráulicas (Figura 2.15). O segundo, usa ferramentas cilíndricas e utiliza a periferia da
ferramenta para o corte. Esse tipo tem uma grande aplicação no fresamento de componentes
médios e pequenos, entretanto mais complexos, tais como, componentes de turbinas a gás
[66].
Figura 2.15: Pá de turbina Hidráulica fabricada por fresamento 5-eixos [67].
As operações de desbaste definem os processos que possuem as maiores taxas de
remoção de material (Q) do bloco inicial no fresamento de impelidores, essas operações
definem uma pré–forma dos componentes. Um aumento nas taxas de remoção no desbaste
aumenta consideravelmente a eficiência de fabricação componente em sua totalidade. Essas
operações podem influenciar não só no tempo mais também na precisão do impelidor nas
operações de acabamento. Para tanto, o material residual presente nas superfícies depois do
desbaste afetarão o acabamento final das superfícies [68].
Além disso, as superfícies deixadas pelo desbaste influenciam na vida das ferramentas.
Se for deixado sobremetal excessivamente nas superfícies, podem ser necessárias operações
43
de semi–acabamento para evitar danos às ferramentas no acabamento e deixar as superfícies
com uma camada de sobremetal constate [68].
Efetivamente, não se tem implementações de rotinas para fresamento de desbaste em 5-
eixos simultâneos na maioria dos sistemas CAM [54]. O usual é a utilização de fresamento de
posicionamento (fresamento 3+2), neste caso, a ferramenta de corte permanece com a mesma
orientação durante a operação, os eixos rotativos são usados somente para o posicionamento
da ferramenta com relação a peça de forma a se ter o melhor acesso ao volume de material
que vai ser retirado (Figura 2.16) [69].
Figura 2.16: Eixos rotativos usados para posicionamento (desbaste em 3+2 eixos) [69].
Existem muitas estratégias para fresamento de superfícies em 3-eixos, comuns a maioria
dos sistemas CAM e que são usadas também no fresamento 3+2. Numa rápida observação dos
sistemas CAM presentes no mercado pode-se ver que cada desenvolvedor fornece soluções
semelhantes para fresamento em 3+2–eixos [70]. O fresamento por níveis (Z-level), bastante
44
comum na maioria dos sistemas, consiste na geração dos contornos criados a partir da
intersecção de planos com a superfície que será fabricada (Figura 2.17). Utiliza-se essa
estratégia em operações de desbaste (3+2) visto que a profundidade de corte para cada passe é
constate fazendo com que a operação seja mais estável (sem sobrecarga na ferramenta de
corte). Para operações de acabamento essa estratégia é menos desejável porque a geometria
dos “degraus” deixados pelos passes pode variar consideravelmente fazendo com que sejam
necessárias operações de polimento.
Figura 2.17:Operação de desbaste do tipo Z-level.
A grande aplicação hoje para o fresamento 5-eixos simultâneos está nas operações de
acabamento que são caracterizadas pela pequena quantidade de material retirada da peça e que
necessitam de condições de contato entre a ferramenta e a superfície de trabalho constante.
O método de Sturz ou da ferramenta inclinada é o método preferido dos
desenvolvedores de aplicações para fresamento 5-eixos. Isso se deve a sua simplicidade
computacional relativa aos demais métodos desenvolvidos até então. Nesse método a
ferramenta é inclinada num ângulo arbitrário com respeito a normal superfície que está sendo
usinada (Figura 2.18) [70].
A grande dificuldade encontrada no método de Sturz é no uso de ferramentas de topo
reto e topo reto com raio ou toroidais. Se o ângulo de inclinação da ferramenta for pequeno,
45
invasões podem acontecer devido à curvatura da superfície. Entretanto, se o ângulo de
inclinação for grande as cristas de fresamento se tornam maiores. Isto faz com que o método
dependa bastante da experiência do programador. Para resolver esses problemas alguns
métodos foram propostos na literatura. Em GRAY podem ser encontradas informações a
respeito desses novos métodos para geração da trajetória da ferramenta em 5-eixos [70].
Como os métodos multipontos, eixo principal e eixo principal modificado. Entretanto, esses
métodos têm limitações em sua implementação nos sistemas em virtude da falta de robustez e
complexidade de implementação nos sistemas CAD/CAM [70][71].
Figura 2.18: Vetores normais são referencias para inclinação da ferramenta
2.1.5 Simulação e verificação de trajetórias
O conceito de manufatura virtual emprega as últimas tecnologias computacionais para
reproduzir graficamente os processos de manufatura, incluindo máquinas-ferramenta CNC e
operações associadas. As ferramentas para simular o processo de usinagem e verificar a
precisão do processo, antes mesmo que essa ordem de serviço esteja na máquina-ferramenta, é
o tema desse sub-capítulo.
46
Sem simulação, as trajetórias de ferramentas são testadas repetidamente nas máquinas-
ferramenta. Conseqüentemente, os pequenos erros são por vezes não detectados e ignorados e
só percebido em estágios avançados da Cadeia CAD/CAM/CNC [72].
A verificação CN simula o processo de remoção de material em varias operações de
usinagem com o objetivo de detectar erros na programação (Figura 2.19). A simulação da
máquina-ferramenta representa graficamente os movimentos dos componentes da máquina
quando uma programa NC é executado para detectar possíveis colisões [73].
Figura 2.19: Verificação de trajetória com a retirada dinâmica de material (UG NX3).
Nota-se que a simulação mostrada na Figura 2.19 é, para o caso de fresamento 5-eixos,
limitada em virtude de não considerar os componentes da máquina-ferramenta.
Encontram-se na literatura relacionada à manufatura virtual algumas referências aos
termos pós-processamento reverso e otimização CN. Os softwares desse gênero,
respectivamente interpretam e simulam os códigos CN escritos para uma ampla variedade de
controles CNC e particularmente, ajustam as velocidades de avanço e velocidades de corte
para reduzir os tempos de usinagem e maximizar o tempo útil de utilização de máquina
[74][75].
47
Avanços recentes na tecnologia dos computadores pessoais e as tecnologias gráficas
3D permitem uma adesão cada vez maior dessas soluções pela indústria de manufatura. Essas
soluções estão aptas a detectar e evitar invasões (Gouges) nas peças, erros de programas e
colisões de componentes da máquina-ferramenta [72].
a) Verificação CN
Os softwares de verificação CN simulam graficamente o processo de remoção de
material pela continua atualização da forma sólida gerada quando a ferramenta move-se ao
longo de sua trajetória para produzir a peça final. Os softwares aceitam tanto código ISO (
código G) como APT-CL (Cutter Location) ou outro arquivo de trajetória CAM como entrada
e simulam o processo de usinagem como um todo (Figura 2.20) [74].
.
Figura 2.20: Verificação de trajetória de ferramenta sem a retirada dinâmica de material (UG NX3).
Pode-se citar como benefícios a detecção de erros de programas CN ainda na fase CAM
da Cadeia CAD/CAM/CNC, como colisões e invasões, eliminação de operações em vazio,
que consomem tempo de máquina, reduzindo assim as peças refugadas e os custos totais [75].
Um bom Simulador CN deve fornecer uma animação 3D renderizada (rendering),
devido aos movimentos da ferramenta, e gerar uma peça virtual usinada através da simulação
48
e suportar a verificação automática, comparando o modelo virtual criado pela simulação e o
modelo CAD original [76].
As pesquisas na simulação e verificação geométrica de trajetórias CN podem ser
divididas em métodos baseados em visualização, em sólidos e vetores discretos. Cada método
tem suas vantagens e desvantagens em termos de velocidade computacional, precisão de
representação e a funcionalidade de fazer inspeções numericamente.
O método baseado em visualizações geralmente utiliza dispositivos gráficos como um
“z-buffer”, que graficamente verifica os resultados de corte, para verificar a usinagem em
outra vista, é necessário refazer o cálculo de simulação. Também não é numericamente
simples inspecionar os resultados da usinagem.
Conceitualmente, o método baseado em sólidos pode ser um excelente candidato para
uma verificação bem precisa com uma inspeção numérica possível, mas ele requer uma carga
computacional pesada.
O método baseado em vetores ou modelo de vetores discretos (DVM-Discrete Vector
Model) representa a peça sendo usinada como um conjunto de pontos e vetores direção, onde
as direções são geralmente os vetores normais nos correspondentes pontos nas superfícies
[77]. Os métodos “z-map” [78][79] ou “dexel” [80][81] podem ser vistos como casos
especiais de DVM, onde todos os vetores direção estão apontados ao longo da direção z de
um sistema de coordenadas cartesiano.
b) Simulação de máquina-ferramenta
Os softwares de simulação de máquinas-ferramenta usam tecnologia gráfica 3D para
modelar e animar uma máquina-ferramenta no computador. O software processa entradas
como código ISO (código G) e APT/CL e simula todos os movimentos dos componentes da
máquina-ferramenta, incluindo, eixos, cabeçotes e ferramentas, para detectar colisões entre
quaisquer componentes estáticos ou em movimento (Figura 2.21) [73][80].
49
Os maiores benefícios são de verificação de possíveis colisões entre todos os
componentes da máquina-ferramenta, incluindo cabeçotes, eixos, paletes e mesas, de previsão
das operações de usinagem, pela simulação de movimentos de todos os componentes da
máquina-ferramenta, dando estimativas de tempo para as operações, o que auxilia no
planejamento da produção e validação de novas configurações de pós-processadores.
[80][81].
Figura 2.21: Simulação de máquina-ferramenta.
c) Otimização CN
Os softwares de otimização NC analisam os programas NC para ajustar as velocidades
de avanço e de corte , e conseqüentemente os esforços que atuam no processo,
reduzindo assim os tempos de usinagem [81].
fv cv
Os softwares analisam os parâmetros de corte tais como profundidade axial de corte (ap),
profundidade radial de corte (ae), volume de material removido (Q), área de contato da
ferramenta e tamanho das ferramentas para determinar as velocidades ótimas de trabalho.
50
Pode-se citar os ganhos produtivos como programas CN mais eficientes e redução
substancial do tempo total de usinagem, consequentemente a melhor utilização do tempo de
máquina-ferramenta disponível.
Um sistema CAM sempre usa a mesma velocidade de avanço para toda uma operação,
consequentemente a força de usinagem não é a mesma em diferentes condições de contato da
ferramenta, ou seja, a ferramenta de corte trabalha sob intensa flutuação de carga mecânica
[82].
Assim, a otimização CN baseada em simulação física, em contraste com a simulação
geométrica fornece melhor controle sob o processo de usinagem, especialmente a processos
onde o corte é intermitente. Os parâmetros de corte, tais como, profundidade axial de corte
(ap) e profundidade axial de corte (ae) mudam com a posição da ferramenta [83].
A otimização CN deve considerar o caminho da ferramenta (tool path) e os parâmetros
de usinagem ao mesmo tempo, especialmente quando se trata de usinagem de superfícies
complexas. Alguns trabalhos foram desenvolvidos no sentido de propor uma trajetória de
ferramenta com uma estratégia de avanços adaptativos aos esforços encontrados numa
usinagem [84][85][86].
2.1.6 Pós-processamento para fresamento 5-eixos
O fresamento de superfícies complexas com mais de 3-eixos precisa de sistemas
CAD/CAM para determinação de dados de localização e orientação da ferramenta de corte.
Considerando que esses dados são determinados com respeito ao sistema de coordenadas da
peça WCS (Work Coodinate System), faz-se necessário a conversão desses dados para o MCS
(Machine Coodinate System), sistema de coordenadas da máquina-ferramenta, através de um
processo conhecido como pós-processamento CN.
A grande maioria dos sistemas CAD/CAM disponibiliza ao usuário os pós-
processadores para os diversos tipos de máquinas 5-eixos. Essa tarefa pode ser efetuada
51
através de uma série de transformações entre os sistemas de coordenadas nos elementos da
máquina, que são similares a braços de robôs [87].
Segundo SAKAMOTO e INASAKI as máquinas-ferramenta 5-eixos comerciais estão
classificadas em três grupos (Figura 2.22) [88]. As máquinas tipo (a) tem o fuso com três
graus de liberdade (GL) nas direções X, Y, Z e a mesa com dois graus de liberdade (GL) com
relação aos eixos rotativos A e C. Esse tipo de máquina-ferramenta é conhecida como a mais
econômica, devido que ela pode realizar os cinco GL só pela adição do mecanismo da mesa
numa maquina-ferramenta de 3-eixos. A maior vantagem dessa máquina-ferramenta sobre as
demais esta relacionada à carga suportada pelo fuso que menor que as demais, já que não é
necessário que fuso gire. Entretanto, peças pesadas não se adequam a esse tipo de maquina
devido ao grande torque necessário para rotacionar as mesas.
As máquinas-ferramenta do tipo (b) têm o fuso com cinco GL, três de translação e dois
de rotação. A maior vantagem desse tipo é que peças pesadas podem ser processadas, desde
que a máquina-ferramenta não precisa orientar a peça, mas sim o fuso.
As máquinas-ferramenta do tipo (c) têm o fuso com quatro GL, três de translação e um
de rotação, e um GL de rotação na mesa.
52
Figura 2.22: Classificação de máquinas-ferramenta 5-eixos [88].
LEE e SHE [89] (1997) derivaram equações analíticas de cinemática inversa para a
geração de dados NC dos modelos de SAKAMOTO e INASAKI, e SUH et al desenvolveram
um programa para movimentos simultâneos de máquinas-ferramenta 5-eixos[88][90].
KRUTH e KELWAIS desenvolveram um programa que simulava o código NC gerado via
pós-processamento e modificava os dados CL (Cutter Location) [91].
A aplicação de mecanismos paralelos como essência da construção de uma máquina-
ferramenta é o novo conceito no projeto de centros de usinagem multi-eixos. O projeto
original de uma máquina-ferramenta de cinemática paralela surgiu da plataforma de
STEWART [92]. A plataforma de Stewart foi projetada para ser um simulador de vôo e foi
largamente aceita na indústria.
53
Comparando as máquinas-ferramentas seriais convencionais com uma máquina-
ferramenta de articulações paralelas, esta tem muitos vantagens, tais como, forças de corte
superiores que podem ser aplicadas nesse tipo de máquina-ferramenta. Sistemas mais rígidos
e estáveis são geralmente obtidos com o uso de mecanismos de cadeia fechada. Maior
precisão pode ser obtida, já que os erros de posição em cada eixo de movimentação não são
acumulados. O custo pode ser reduzido e maiores velocidades de avanço com maiores
acelerações podem ser obtidas [93][94].
A indústria tem dado bastante atenção ao desenvolvimento de máquinas-ferramenta de
cinemática paralela. Elas são consideradas como sendo uma das principais tendências no
desenvolvimento de máquinas-ferramenta. Entretanto, a aplicação real de mecanismos de
cinemática paralela em máquinas-ferramenta ainda não foram provados em termos de
otimização de eficácia sobre as máquinas-ferramenta tradicionais. Muitas desafios têm ainda
que ser superados e explorados. O pós-processamento é uma dos tópicos essenciais que
devem ser investigados antes que esses mecanismos possam ser usados em máquinas-
ferramenta [95].
2.2 Influências sob o fresamento 5-eixos
As variáveis envolvidas na cadeia CAD/CAM/CNC serão tema desse sub-capítulo com
o objetivo de fornecer informações a respeito das especificidades da cadeia para fresamento 5-
eixos.
Muitas das características do fresamento 3-eixos podem ser consideradas para o
fresamento 5-eixos, como por exemplo: ferramentas de corte para fresamento 3-eixos são
perfeitamente aplicáveis no fresamento 5-eixos. Entretanto, algumas características são
especificas do fresamento 5-eixos. A definição de todas essas características e o
relacionamento entre elas é ilustrada na Figura 2.23.
54
Figura 2.23: Influências sobre o fresamento 5-eixos.
A precisão de um modelo fresado está relacionada às condições de usinagem,
envolvendo deflexões da ferramenta de corte, vibrações durante o processo de usinagem e
desvios de trajetória causados pela inércia de movimentação dos eixos, agravando-se quando
se com trabalha com altas acelerações e velocidades de avanço [96].
2.2.1 Características de uma máquina ferramenta 5-eixos.
As especificações de projeto para uma máquina-ferramenta segundo BOHEZ podem ser
definidas dos seguintes princípios [97]:
• A cinemática deve fornecer flexibilidade suficiente em orientação e posicionamento
da ferramenta e da peça.
• Orientação e posicionamento com a maior velocidade e precisão possível;
• Rápida troca de peças e ferramentas;
• Segurança para o ambiente e operador;
55
• A maior taxa possível de remoção de material.
O número de eixos de uma máquina-ferramenta normalmente se refere ao número de
graus de liberdade (GL) ou o número de movimentos independentes controlados nos
barramentos da máquina. A nomenclatura ISO usa um sistema de coordenadas da mão direita,
com o eixo da ferramenta correspondendo ao eixo Z [97].
Uma fresadora 3-eixos tem 3 barramentos lineares X, Y e Z que fazem o
posicionamento ao longo dos eixos, contanto que não se ultrapasse o limite de cada eixo. O
eixo da ferramenta fica fixo durante a usinagem (Figura 2.24-a), o que limita a flexibilidade
da orientação da ferramenta, relativa à peça, resultando, num número grande nº de fixações
para geometrias complexas.
Para aumentar a flexibilidade da orientação entre a ferramenta e a peça, sem a
necessidade de mudança de fixação, mais graus de liberdade devem ser adicionados. Para uma
máquina-ferramenta convencional isso pode ser alcançado adicionando-se eixos rotativos,
diferentemente dos já usuais eixos de translação (Figura 2.24-b) [98].
Figura 2.24: a) Máquina-ferramenta 3-eixos XYZ no fuso. b) Máquina-ferramenta 5-eixos XYZ no fuso e AC na mesa [98].
Quando os eixos rotativos adicionados são paralelos aos eixos de translação a seguinte
nomenclatura é adotada: eixo rotativo paralelo ao eixo de translação X chama-se eixo A, eixo
56
rotativo paralelo ao eixo de translação Y chama-se eixo B e, finalmente, eixo rotativo paralelo
ao eixo de translação Z chama-se eixo C [97].
Para orientar dois corpos rígidos um em relação ao outro são necessários 6 GL (graus de
liberdade) para cada corpo (ferramenta e peça), ou seja, 12 GL. Contudo, nenhuma translação
ou rotação que mude a orientação relativa é permitida, reduzindo os GL a 6. A distância entre
os corpos é prevista pela trajetória da ferramenta eliminando mais um GL, reduzindo os GL a
um mínimo de 5 GL [97].
O movimento de uma ferramenta de corte durante o fresamento 5-eixos de superfícies
complexas (free form surfaces) gera um volume complexo no espaço (swept volume) (Figura
2.25).
Figura 2.25: Exemplo de volume gerado pelo movimento da ferramenta no fresamento 5-eixos simultâneos (swept volume).
Entretanto, na maioria dos sistemas CAM o erro ao longo da trajetória da ferramenta é
aproximado por um desvio cordal 2D (Figura 2.26), que é a distancia entre a trajetória da
ferramenta necessária para gerar o perfil pretendido na programação e a reta (corda) que liga
dois pontos consecutivos de interpolação da trajetória programada e pós-processada. Para
57
tanto, se assume que a trajetória entre dois pontos interpolados é um arco (em substituição a
pequena parte do perfil entre esses dois pontos) [99].
Figura 2.26: Aproximação 2D da trajetória 3D da ferramenta de corte.
Indiretamente, define-se a distancia entre dois pontos que serão interpolados a partir do
máximo desvio entre a linha (corda) e o arco assumido (Figura 2.26). Dessa forma, os efeitos
relacionados à orientação da ferramenta de corte não são levados em conta no cálculo dos
desvios de um perfil que se quer usinar em 5-eixos. Portanto, faz-se necessário examinar a
trajetória da ferramenta e verificar possíveis erros relacionados à mudança de orientação da
ferramenta de corte numa determinada máquina-ferramenta [99]. Devido a isso, alguns
comandos numéricos disponibilizam algoritmos especiais para a orientação da ferramenta
utilizando curvas NURBS 3D [100].
Os comandos numéricos são adaptativos e consistem de um sistema que integra no
controle as funções normais do comando numérico, a função de correção de uma série de
variáveis medidas continuamente. Estes comandos são dotados de servomecanismo, que, além
58
de controlar uma função especifica, fazem a medição, comparando-a com o modelo ideal e
corrigindo-á, se necessário [6].
Os comandos numéricos computadorizados são caracterizados por acessarem
diretamente as redes de comunicação da empresa transferindo para os meios de fabricação
uma variedade de dados. Esses comandos atuais têm capacidade de controlar simultaneamente
até 31 eixos, sendo eles eixos de avanço lineares ou rotativos e eixos árvore (Spindle) [97].
Além disso, conjunto de funções disponíveis nos comandos ainda nas versões padrão é muito
ampla e vem melhorando com o passar dos anos nos comandos modernos, tais como, LOOK
AHEAD, Algoritmo NURBS de interpolação, Interpolação polinomial, Compensação
térmica, etc. [100].
LOOK-AHEAD pode ser encarado como uma memória temporária (buffer) de
informações adicionado à malha de controle CN. Essa característica proporciona ao sistema
leitura antecipada de vários blocos de dados CN antes que sejam executados, Assim ordenasse
a seqüência de movimentos antecipadamente e o tempo de transição entre blocos é
minimizado.
Existem as funções que fazem com que sejam ativadas rotinas que permitem que o
programa CN seja independente dos eixos físicos da máquina-ferramenta. Essas funções
estabelecem um novo sistema de coordenadas a partir da translação ou rotação de um sistema
de coordenadas existentes. Pode-se citar TRANS, ROT, ATRANS e AROT no CNC
SINUMERIK 840D da empresa SIEMENS, ou CYCLE DEF 19.1 no CNC TNC da empresa
HEIDENHAIN.
Além disso, algumas funções permitem programação num sistema de coordenadas
virtual criado durante as operações de fresamento, tais como TRAORI no CNC SINUMERIK
e M128 no CNC HEIDENHAIN. A função TRAORI é usada para calcular pontos
intermediários na interpolação da orientação da ferramenta com a intenção de minimizar o
59
erro cordal, que é resultado da linerarização entre dois pontos interpolados numa usinagem 5-
eixos. Isso é feito calculando–se a compensação da ferramenta que é a distancia entre base do
suporte até a ponta da ferramenta.
O tempo de processamento de bloco (TPB) também é uma característica importante a se
considerar no fresamento 5 – eixos. Ele é o tempo médio necessário para o controle numérico
processar e enviar informações de comando para o acionamento dos servo-motores, e é uma
característica do CNC [101].
O TPB do comando numérico deve ser menor que o tempo necessário para a ferramenta
percorrer o menor incremento de trajetória descrito por um bloco de comando [101].
2.2.2 Fixação da peça
A fixação de peças contribui de uma forma importante para a segurança e a qualidade do
processo de fabricação. A precisão e a repetibilidade de uma peça estão relacionadas ao
sistema de fixação, tais como, morsas, grampos, etc.[102].
O projeto de dispositivos de fixação é uma importante operação que deve ser
considerada no planejamento de processos de fabricação. Um dispositivo de fixação é um
único componente ou a combinação de componentes para referenciar, prender e suportar uma
peça [103].
Existem vários tipos de dispositivos de fixação, mas de acordo com a forma da peça e
aplicação elas podem ser classificadas em quatro categorias: placas modulares, placas
modulares, morsas e placas para tornos [104].
Tipicamente utilizada em máquinas-ferramenta verticais, uma placa de fixação tem uma
superfície de referência que é paralela à superfície de montagem. Placas modulares inclinadas
têm a superfície de referência perpendicular à superfície de montagem na máquina-
ferramenta. São utilizadas normalmente em máquinas-ferramenta horizontais.
60
Uma morsa tem um mordente fixo e outro móvel para fixar as peças, podendo ser
empregada tanto em máquinas-ferramenta horizontais quanto em máquinas-ferramenta
verticais. Apesar do fácil uso, as morsas têm restrições de tamanhos [103].
Um sistema de manufatura flexível (FMS - Flexible Manufacturing System) é um
sistema de produção que consiste de um conjunto de máquina numericamente controladas,
idênticas ou complementares, que são conectadas através de um sistema de transporte dos
componentes automatizado (esteiras, pontes rolantes, robôs, etc.) [105].
Considerando um sistema de manufatura em linha, ou seja, uma peça é abastecida na
linha e sai acabada após uma determinada seqüência de processos, se por um acaso toda essa
seqüência for realizada numa única máquina-ferramenta, come é o caso de uma linha transfer,
qualquer percalço de fabricação, tal como, um problema na máquina-ferramenta, numa
ferramenta de corte, etc., será responsável por uma parada de produção [106].
A grande desvantagem do aumento da flexibilidade para a usinagem reside na
diminuição inerente da rigidez de processo. É simples pensar que num sistema transfer
convencional, o tipo de peça fabricada terá um sistema de fixação de peça e de ferramenta de
corte dedicado para cada operação de usinagem, enquanto que no caso de sistemas flexíveis, o
sistema de fixação, por exemplo, deixará de estar dedicado e passará a ser passível de uso
para tamanhos de peças distintas [106].
A geometria de uma peça representa um das principais considerações na seleção do tipo
de dispositivo de fixação a ser usado. A existência de certas características geométricas, tais
como, superfícies paralelas e furos de referência têm um efeito significante na decisão sobre
qual estratégia de fixação será adotada [103].
Uma importante atividade do CAPP (Computer-Aided Process Planing) no que se refere
a usinagem é determinar os esquemas de fixação para cada operação [103].
61
O fresamento de posicionamento ou fresamento 3+2 é uma alternativa quando se têm
várias fixações em uma mesma peça. Usualmente trabalha-se com a ferramenta inclinada com
relação às superfícies de trabalho (Figura 2.27) [100]. Nesse tipo de fresamento os eixos
rotativos da máquina-ferramenta são utilizados somente para a orientação da ferramenta
relativa à peça de forma a se ter melhor acesso à regiões da peça e melhores condições de
corte.
Essa forma de trabalho permite ferramentas mais curtas, além eliminar fixações
redundantes, portanto é reduzido o número de fixações [107].
Figura 2.27:Inclinação do cabeçote no fresamento de estampo [100].
2.2.3 Condições de contato da ferramenta
A seguir serão analisadas as condições de contato do topo da ferramenta de corte com o
material da peça, bem como as influências das grandezas geométricas de cada ferramenta e
dos parâmetros de corte em relação à vida da ferramenta, ao acabamento superficial e ao
desvio de forma.
62
Objetiva-se fundamentar os conhecimentos do processo de fresamento para uma
determinação operação de acabamento com fresa de topo e, desse modo, estabelecer uma
relação entre o raio da ferramenta, a curvatura da superfície usinada e os parâmetros de
usinagem, para otimização da qualidade superficial e diminuição do erro dimensional.
Segundo o Machinability Data Center (1980) a usinagem de um material, no início do
corte, o gume (ferramenta) penetra no material da peça, e este se deforma elástica e
plasticamente. Após ultrapassar a tensão máxima de cisalhamento do material, este começa a
escoar. Em dependência da geometria da cunha de corte, o material deformado passa a formar
um cavaco que desliza sobre a face [108].
Em todos os processos de usinagem, as características do processo, como formação e
saída de cavaco, força de corte, desgaste e acabamento da superfície usinada, são
influenciadas consideravelmente pela geometria da ferramenta. Em decorrência disso, a
geometria da ferramenta deve ser adaptada ao material da peça, ao material da ferramenta e as
condições específicas da máquina-ferramenta [109].
No acabamento, a seleção dos parâmetros de corte, das condições de contato e do
diâmetro da ferramenta deve alcançar a qualidade superficial e de forma requeridas pelo
projeto [110].
As superfícies acabadas dos componentes de turbinas a gás, especialmente superfícies
complexas (free form surfaces), tais como impelidores, superfícies cônicas e esféricas, são
acabadas com ferramentas de topos arredondados. Essas geometrias de topo das ferramentas
produzem superfícies onduladas, que são diretamente dependentes das condições de contato
adotadas [111][47][49].
Em ZANDER (1995) e WARKETIN et. al. (1994) apresentaram técnicas em 5 eixos
para a usinagem de superfícies complexas com fresas de topo toroidal, reduzindo a altura das
cristas produzidas pelo processo[110].
63
No fresamento em 3 eixos, as linhas de fresamento acompanham o contorno da peça. A
ferramenta de corte estabelece um movimento com diferentes condições de engajamento e
com linhas de fresamento paralelas até a obtenção da medida desejada, o que significa uma
modificação constante dos esforços de corte sobre a ferramenta [110].
No fresamento em 5 eixos, a ferramenta de corte estabelece uma condição de contato,
consequentemente mantém também constante o esforço que atua sobre a ferramenta. Além
disso, existe a possibilidade de se trabalhar com ferramentas com a relação L/D (altura da
ferramenta/diâmetro da ferramenta) menor [107]. Essa relação geométrica é conhecida como
índice de esbeltez de elemento estrutural (ferramenta de corte). Esta relação representa a
medida da flexibilidade de um elemento estrutural [112].
Para se avaliar o erro de forma no fresamento é necessário estudar o desvio da haste da
ferramenta. Este desvio é modelado considerando a ferramenta de corte engastada no fuso
(Figura 2.28) [110].
)(xd
x
Figura 2.28: Ferramenta de corte admitida como uma viga engastada.
A ferramenta também se desloca por vibração da haste. As possíveis causas de vibração
são as condições da máquina-ferramenta, a forma da peça, a fixação da peça na máquina-
ferramenta, a fixação da ferramenta no porta ferramenta e a afiação da ferramenta de corte
[113].
64
A Figura 2.29 mostra um modelo simplificado de uma ferramenta de corte em elementos
finitos exemplificando os quatro primeiros modos de vibração para uma ferramenta de corte
sob restrições de engastamento no porta ferramenta. Para o primeiro modo de vibração a
ferramenta se desloca no plano XZ, o segundo modo a ferramenta se desloca no plano YZ de
forma semelhante ao primeiro modo de vibração, o terceiro modo a ferramenta se desloca no
plano XZ e o quarto modo a ferramenta se desloca no plano YZ de forma semelhante ao 3º
modo de vibração.
Figura 2.29: Ferramenta de corte e seus modos de vibração.
Segundo ZANDER (1995) a influência da geometria de uma ferramenta de corte sobre a
qualidade superficial na direção transversal ao avanço, pode-se demonstrar pela variação da
rugosidade teórica (Rth) (Figura 2.30) [110].
65
Figura 2.30: Rugosidade teórica (Rth) na direção transversal ao avanço [110].
Ainda, segundo ZANDER (1995) com o aumento da profundidade de corte radial (ae) e
do ângulo de inclinação entre a haste e a normal da superfície (β), as fresas de topo toroidal e
reto apresentam um comportamento semelhante em relação ao aumento da rugosidade teórica
(Rth). O mesmo resultado não ocorre para a fresa de topo esférico [110].
Devido à característica geométrica do topo esférico da fresa, o ângulo de inclinação
entre a haste e a normal da superfície (β) não influencia na rugosidade teórica (Rth). Todavia,
a influência da profundidade de corte radial (ae) é muito maior, comparada às fresas de topo
reto e toroidal [110][114].
Pode-se também demonstrar a influência da geometria das ferramentas de corte sobre a
qualidade superficial, na direção longitudinal ao avanço, em função da rugosidade teórica
(Rth) (Figura 2.31) [110].
66
Figura 2.31: Rugosidade teórica (Rth) na direção longitudinal ao avanço [107].
As geometrias circulares dos gumes das fresas de topo esférico e toroidal provocam um
perfil em formato de ondas. Este perfil não sofre influência do ângulo de inclinação entre a
haste e a normal da superfície (β) [110].
Para todos os tipos de topo de ferramentas, na direção longitudinal ao avanço, a
rugosidade teórica (Rth) aumenta proporcionalmente ao avanço por dente (fz). Entretanto, para
ferramentas de topo esférico e toroidal, a influência do avanço por dente (fz) é menos sensível,
devido ao elevado valor do raio de quina rε [110].
Para fresas de topo reto, com o ângulo de inclinação entre a haste e a normal da
superfície (β), produz-se um perfil em formato de dente de serra. O máximo valor de
rugosidade teórica (Rth) é obtido para β=45°. Com a variação do avanço por dente (fz),
estabelece-se uma relação linear com a rugosidade teórica (Rth) [110].
67
Desse modo, devido à independência do ângulo de inclinação entre a haste e a normal da
superfície (β) e da pequena relação com o avanço por dente (fz), as ferramentas de topo
esférico são mais adequadas para o acabamento em três eixos de superfícies complexas.
A profundidade de corte radial (ae) exerce uma influência significativa na formação da
altura das cristas. Entretanto, em operações com altas velocidades de corte (HSC) é possível o
emprego de pequenas profundidades de corte radiais (ae), com altas velocidades de avanço,
sem prejuízo do tempo de fabricação [110] [114].
Segundo GOMES (2001), a influência do ângulo de inclinação entre a superfície e a
ferramenta, para ferramentas de topo esféricas, sobre rugosidade real é pequena. Entretanto, a
rugosidade real é prejudicada para ângulos de inclinação menores do que 15º, pois a remoção
de cavaco da região de corte é difícil e velocidade de corte na região tende a zero, provocando
esmagamento de material na zona de corte e para ângulos maiores do que 75º, devido à
elevada deflexão da haste da ferramenta [110].
Figura 2.32: Comportamento da rugosidade real [110](GOMES, 2001).
A Tabela 2.2 mostra o corte discordante e concordante. No corte discordante, a
espessura do cavaco é inicialmente é zero e aumenta na direção de revolução da ferramenta
até uma espessura máxima. Nesse caso, a direção de revolução da ferramenta e a direção de
68
avanço da ferramenta são as mesmas, no caso de uma máquina-ferramenta sem movimentação
de translação na mesa (Tabela 2.2).
Tabela 2.2: Características do corte discordante e concordante [113].
Tipo de corte Corte discordante Corte concordante
Item
Forma do corte
Vida da ferramenta Curta Longa Rigidez da máquina-ferramenta
O corte discordante é indicado para máquinas-ferramenta antigas e já com folgas.
A maquina ferramenta deve ter alta rigidez e não ter folgas.
Teórico ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅
+=
πzfD
fRz
zth
88
2
Superior comparado ao fresamento concordante
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅
−=
πzfD
fRz
zth
88
2
Inferior comparado ao fresamento discordante
Aca
bam
ento
Sup
erfic
ial
Real
Excelente na usinagem com fluido de corte e maquina ferramenta com pouca rigidez e folgas
Excelente em usinagem sem fluido refrigerante e quando a maquina tem boa rigidez e não tem folgas
Forma de cavaco Cavaco é difícil de enrolar. Adesão de cavaco ocorre facilmente
Cavacos enrolam e são quebrados em pequenos pedaços
Esforços de corte
Grande força de avanço, pequena força passiva pequena e força de corte relativamente grande.
Pequena força de avanço, grande força passiva e força de corte relativamente pequena.
No corte concordante, a espessura do cavaco é inicialmente a máxima espessura de
cavaco e decresce na direção de revolução da ferramenta. Nessa situação, a direção de corte e
a direção de avanço da ferramenta são contrárias, no caso de uma máquina-ferramenta sem
movimentação de translação na mesa [113].
69
Figura 2.33: Características geométricas no fresamento 5-eixos.
As características de contato num ponto qualquer para fresas de topo esférico são
regidas pelas variáveis mostradas na Figura 2.33. Elas são a quantidade de sobremetal, a
profundidade de corte radial (ae), a curvatura da superfície e a inclinação da ferramenta
relativa à superfície fresada.
70
3 Materiais e métodos
As etapas experimentais deste trabalho, descritas a seguir, foram realizadas no
laboratório CCM (Centro de Competência em Manufatura) da Divisão de Engenharia
Mecânica-Aeronáutica do ITA (Instituto Tecnológico de Aeronáutica). Nas subseções
seguintes, primeiro é descrito o que foi utilizado nos experimento e por fim os métodos
utilizados nos experimentos.
3.1 Materiais de ensaio
Para componentes utilizados em turbinas a gás existe uma variedade de materiais a
serem considerados, em virtude dos diferentes níveis de solicitação mecânica e térmica. Os
materiais podem ser desde uma simples liga de alumínio até ligas especiais de níquel
utilizadas em situações, onde os componentes são submetidos a altos níveis de tensão e
temperatura.
Tabela 3.1: Liga de alumínio da classe 7000 propriedades mecânicas e composição química[115].
Propriedades Mecânicas Especificação AA 7475-T61 Dureza Brinell (HB) 148 HB Tensão de Ruptura (σu) 565 MPa Tensão de Escoamento (σu) 490 MPa Modulo de Elasticidade (E) 70,3 GPa Coeficiente de Poisson (ν) 0,33 Modulo de Cisalhamento (G) 27 GPa Densidade (ρ) 2,81 g/cc Composição Química em Percentual Al 88,5-91,5% Ti 0,06% Cr 0,18-0,25% Zn 5,2-6,2% Cu 1,2-1,9% Fe Máx. 0,12% Mg 0,06% Mn 0,1%
Fonte:ASM, 1990 e HOLT, 1996.
71
A Tabela 3.1mostra algumas propriedades mecânicas e a composição química da liga de
alumínio utilizada nos testes.
Devido à relativa facilidade de obtenção e aos objetivos do trabalho não estarem
relacionados à usinabilidade de um material em especifico a liga de alumínio AA 7475-T6 foi
escolhida.
3.2 Máquina-ferramenta
Utilizou-se como máquina-ferramenta para os ensaios, um centro de usinagem HSC 5-
eixos Hermle C600U. A Figura 3.1 mostra a maquina-ferramenta utilizada nos ensaios desse
trabalho.
Figura 3.1: Máquina-ferramenta utilizada nos ensaios.
As especificações da máquina-ferramenta são as seguintes:
Eixos: X (606 mm)
Y (450 mm)
Z (450 mm)
A (-110º< α<110º)
C (0º<θ<360º);
72
Rotação Máxima: 16000 rpm;
Potencia: 15kW em 40% de ED (40% do tempo de funcionamento da máquina-
ferramenta pode-se trabalhar utilizando a máxima potencia e rotação);
Comando Numérico: SIEMENS, SINUMERIK 840D;
Avanço rápido (G0): 35000 mm/min;
Máximo avanço programável (G1): 9200 mm/min
3.3 Ferramentas de corte
Utilizou-se para os ensaios ferramentas inteiriças de metal duro. Estas ferramentas
foram montadas em suporte CoroGrip HSK 63. Tanto as ferramentas quanto os suportes são
do fabricante SANDVIK. As ferramentas utilizadas são especificadas na Tabela 3.2.
Tabela 3.2: Ferramentas utilizadas na fabricação do componente (116).
Operação Desbaste Acabamento Código do fabricante R216.24-16030EAI16G R216.42-12030-AK22G Classe de metal duro 1610 1010 Tipo de Fresa Topo Reto Topo Esférico Número de facas 4 2 Diâmetro Dc (mm) 16 12 Ângulo de hélice 30º 30º Raio de canto rε (mm) 2 6 Tipo de haste Cilíndrica Cilíndrica Comprimento da haste l2(mm) 92 83 Ângulo de Saída 3º 10º30´ Ângulo de incidência 9º 12º apmáx (mm) 16 22
73
3.4 Software CAD/CAM
Para programação das estratégias estudadas, bem como de todo o estudo das geometrias
geradas para o fresamento utilizou-se a plataforma UG NX3 da empresa UGS Corp. Para
modelagem e avaliação das geometrias foram utilizados os módulos de modelagem de
superfícies e sólidos (Modeling e Shape Studio) [117]. Para programação CAM foi utilizado o
módulo NX CAM. Finalmente, para criação de modelo para simulação da máquina-
ferramenta estudada foram utilizados os módulos ISV (Integrated Simulation and
Verification) [118] do mesmo pacote NX3 e o software PostBuilder. A Figura 3.2 ilustra os
módulos utilizados no trabalho.
Figura 3.2: Módulos do UG NX3, Modeling, Manufacturing IS&V e PostBuilder.
74
3.5 Equipamentos auxiliares
As medições de rugosidade foram realizadas utilizando um rugosímetro de ferramentaria
(Figura 3.3) com as seguintes características:
Fabricante: Mitutoyo Corportation;
Modelo: SJ-201p;
Método de detecção: Indutância diferencial;
Faixa de medição: 350 µm (-200µm a 150µm);
Material do apalpador: Diamante;
Raio da ponta do apalpador: 5µm;
Força de medição: 4mN.
Figura 3.3: Rugosímetro utilizado nas medições de rugosidade das superfícies.
A fim de coletar pontos nas superfícies estudadas, a peça foi medida num sistema de
inspeção para coleta desses pontos e compara-los ao modelo CAD existente. Esse sistema
utiliza um braço articulado com 6 graus de liberdade e apalpador (probe) de natureza
mecânica com as seguintes especificações:
Fabricante: CIMCORE
Modelo: 3000i Series
Comprimento do Braço: 1,8m
Volume de trabalho: 3m3
75
Peso: 5,4 kg
Configuração dos eixos: 6 eixos (2-2-2)
Precisão: 0,005mm
A Figura 3.4 mostra o braço sendo utilizado para coleta de pontos na atividade de
medição do componente estudado.
Figura 3.4: Equipamento utilizado para medição de peça.
3.6 Método utilizado nos ensaios
A seguir, é mostrado o método utilizado neste trabalho para a utilização das tecnologias
CAD/CAM/CNC de forma a se ter um uso otimizado das tecnologias envolvidas,
principalmente no que se refere ao fresamento 5-eixos de componentes de turbinas a gás. A
seqüência de atividades desenvolvidas procura reproduzir o que de fato acontece na cadeia
76
CAD/CAM/CNC para fresamento 5-eixos. Fazendo com que o método adotado não tenha
apenas um embasamento teórico, mas também prático e perfeitamente aplicável como
estratégia produtiva na indústria.
Para tanto, procurou-se percorrer a cadeia CAD/CAM/CNC seguindo a seqüência das
atividades mostradas na Figura 3.5.
INPUT
Figura 3.5: Método aplicado aos ensaios.
O método mostrado na Figura 3.5 propõe que a partir de uma geometria CAD e dados
de projeto de um componente que se quer fabricar com fresamento 5-eixos sejam
77
desenvolvidas tarefas que garantiram o sucesso da fabricação. Essas tarefas são elucidadas a
seguir:
• Análise das geometrias
A análise das geometrias com ferramentas computacionais é a etapa que garantirá a
consistência do modelo matemático que será utilizado nas etapas posteriores do
desenvolvimento do produto (componentes de turbinas a gás) como exemplo a programação
de máquinas-ferramenta com auxilio de software CAM. Essas análises são a verificações da
curvatura gaussiana e as curvas isoparamétricas das superfícies. Busca-se nessa etapa avaliar
descontinuidades geométricas, parametrização das superfícies e os procedimentos utilizados
para a construção do modelo.
• Remodelagem de geometrias
Feita a análise geométrica das superfícies é possível se ter informações que são úteis
para prevenção de possíveis problemas na geração de trajetórias de ferramenta em 5-eixos
simultâneos. Quando problemas são detectados é feita uma operação de remodelagem do
próprio componente ou a modelagem de geometrias auxiliares com o objetivo de auxiliar a
programação CAM do componente que se quer fabricar.
• Programação CAM
Agora com os problemas que seriam encontrados na geometria CAD já solucionados nas
etapas posteriores (Análise das geometrias e Remodelagem), parti-se para programação CAM
do componente através da escolha das ferramentas, das estratégias e dos parâmetros de corte
que serão utilizadas para o fabrico do componente.
• Simulação 5-eixos
A simulação das estratégias programadas em software CAM é outra tarefa que previne
problemas em etapas posteriores da cadeia CAD/CAM/CNC. Dessa vez problemas que
aconteceriam em processo como colisões entre os componentes da máquina-ferramenta, ou
78
mesmo problemas com pós-processamento são antecipados evitando re-trabalho do
programador. Este muitas vezes não tem a correta noção dos movimentos desenvolvidos pela
máquina-ferramenta a partir da sua programação após a etapa de pós-processamento. Com
isso aumenta-se o risco de colisão ou mesmo de um processo insatisfatório. Para atender a
necessidade aqui levantada um simulador foi desenvolvido e é utilizado para evitar colisões
durante a fabricação de componentes.
• Escolha da interpolação
A escolha da uma interpolação para processo de fresamento 5-eixos tem a justificativa
de otimizar o tempo de fabricação, tornar os movimentos dos eixos mais suaves e por fim
melhorar o acabamento superficial. Para tanto, um perfeito entendimento de qual interpolação
se deve usar é requerido. Para tanto, alguns ensaios foram feitos de forma adquirir dados para
analise e posterior escolha correta da interpolação utilizada para o processo.
• Pós-processamento NC
Afastada a possibilidade de colisão durante o processo de fabricação, segue-se para o
pós-processamento das operações CAM criadas. O pós-processamento consiste em escrever
numa linguagem que o comando numérico possa interpretar e executar as trajetórias criadas
com os parâmetros de corte utilizados no software CAM utilizado.
• Fabricação do modelo
A fabricação consiste em executar os programas criados através do pós-processamento
das trajetórias. Para tanto é necessário dispositivo de fixação para fixar a peça mesa da
máquina-ferramenta. Também é necessário o preset da peça e das ferramentas que serão
utilizadas durante o processo de fabricação.
• Medição do componente (comparador)
79
Por fim o modelo CAD e as especificações de projeto são equiparados ao resultado do
processo de fabricação de forma a se verificar se o componente atende aos seus requisitos
funcionais definidos posteriormente.
3.6.1 Procedimento para análise de geometrias (IGES, PARASOLID)
A escolha da geometria utilizada, encontradas em turbina a gás, levou em conta a
complexidade geométrica e suas respectivas necessidades de utilização do fresamento em 5-
eixos. No estudo levou-se em conta a complexidade geométrica dos componentes de turbinas
a gás, e suas respectivas necessidades de utilização do fresamento em 5-eixos simultâneos
para a obtenção de forma e da qualidade da superfície usinada. Para tanto, um impelidor de
compressor radial foi escolhido como geometria teste (Figura 3.6).
Figura 3.6: Impelidor de turbina a gás escolhido para o estudo.
80
O modelo CAD, cedido pela Divisão de Física do ITA (Figura 3.7), foi modificado de
forma a ter as dimensões para teste na máquina-ferramenta de estudo e manuseio para
medições das características das superfícies fabricadas.
Como o modelo foi feito em software CAD diferente do software que serviu como
ferramenta para esse trabalho, necessitou-se de uma etapa de exportação de modelo entre
softwares CAD/CAM. Os tipos de arquivos escolhidos foram os clássicos IGES e
PARASOLID, ou seja, foram escolhidos formatos de arquivos que utilizam superfícies e
sólidos como base para construção do modelo. O modelo é mostrado na Figura 3.7, também é
mostrada na figura a nomenclatura das superfícies do componente.
Figura 3.7: Modelo do impelidor escolhido para os testes.
81
Nessa etapa do trabalho, procurou-se avaliar a influência do procedimento de
modelagem exercida sobre o algoritmo para a reparametrização de superfícies cortadas
(trimmed surfaces). Para tanto, foi feita uma análise do procedimento de modelagem utilizado
para criação do modelo estudado. Buscou–se também verificar a influência que os formatos
de arquivos IGES e PARASOLID exercem na geração de trajetórias de ferramenta. Além
disso, foi utilizada a ferramenta de análise de superfícies curvatura gaussiana com a intenção
de verificar possíveis descontinuidades superficiais.
Para relacionar um possível erro na geração de trajetória ao procedimento de
modelagem (trimming) e não ao processo de exportação das geometrias, foram modeladas
superfícies suaves com três diferentes graus de complexidade de borda (Figura 3.8). Essa
complexidade foi definida por operação de corte (trimming).
Figura 3.8: Superfícies utilizadas para avaliação de geração de trajetória.
82
Para cada superfície foram geradas trajetórias de ferramenta em 5-eixos utilizando os
parâmetros de geração de trajetória mostrados na Tabela 3.3.
Tabela 3.3: parâmetros utilizados para geração das trajetórias.
β (tilt angle) α (lead angle) 15º 15º 45º 45º
O ângulo α é aquele com relação à normal à superfície e no sentido transversal a
direção de avanço da ferramenta de corte e β é o angulo com relação à normal à superfície e
no sentido de avanço da ferramenta de corte (Figura 3.9).
β+ β−
α+ α−
Figura 3.9: Inclinação da ferramenta de com relação a normal a superfície.
83
3.6.2 Procedimento para remodelagem para fresamento 5-eixos
A partir da análise gaussiana das superfícies realizou-se a remodelagem de detalhes que
não foram observados durante a etapa inicial de modelagem CAD, por outro projetista, cuja a
modelagem não estava direcionada a fabricação do componente. A Figura 3.10 ilustrar uma
deficiência encontrada no modelo. Nela pode-se ver uma descontinuidade superficial na
superfície do cubo (hub surface). Essa descontinuidade é prejudicial a orientação da
ferramenta de corte no fresamento 5-eixos simultâneos.
Figura 3.10: Analise Gaussiana (Curvatura Gaussiana) em superfícies.
O uso de curvas que sejam continuas é de fundamental importância quando se está
construindo superfícies ou sólidos.
Mudanças abruptas de curvatura, como as mostradas na Figura 3.10, ocasionam
movimentos bruscos no processo de fresamento 5-eixos, comprometendo a estabilidade do
processo. Deve-se então corrigir o modelo para que essa hipótese seja afastada.
84
As descontinuidades verificadas na análise gaussiana se deviam ao uso de arcos e retas
como geratrizes do sólido analisado. A solução proposta é a substituição desses arcos e retas
por curvas complexas do tipo NURBS.
3.6.3 Procedimento programação CAM de componentes
A partir de uma geometria bem definida buscou-se escolher as ferramentas para o
processo de fresamento. Essas ferramentas são definidas no software CAM de forma a serem
usadas para calcular as trajetórias de ferramentas para a fabricação do componente. As
ferramentas escolhidas são mostradas na subseção 3.3.
Inicialmente, programou-se o desbaste do componente, cada espaço entre as pás foi
tratado como se fosse uma cavidade. A estratégia escolhida para usinagem da cavidade foi a
seguinte:
• Desbaste utilizando a estratégia Z-level (Z constante), os níveis estavam espaçados
de 1mm (ap).
• Entrada da ferramenta no centro da cavidade em hélice com 15º de rampa. Fazendo
com que a profundidade de corte radial seja aproximadamente constante. Assim
evita-se que a ferramenta faça primeiro o contorno externo, que aconteceria com todo
o diâmetro da ferramenta imerso na peça.
Sabe-se que essa estratégia é comumente utilizada para desbaste de cavidades e que
apresenta bons resultados. Na Figura 3.11 é mostrada a estratégia de corte utilizada para a
cavidade em questão.
85
Figura 3.11: Desbaste da geometria.
As demais cavidades forma desbastadas seguindo a mesma estratégia. A mesa C girou a
peça em 36º e foi executada a mesma estratégia o que caracteriza fresamento 5-eixos de
posicionamento ou fresamento 3+2. E assim, sucessivamente até serem desbastadas todas as
pás do componente.
Para as etapas de acabamento do componente teste foi estabelecida uma matriz de
ensaios com os seguintes parâmetros de corte: profundidade axial de corte (ap), profundidade
radial de corte (ae) e avanço por faca (fz). A tabela é mostrada na Tabela 3.4. A velocidade de
corte vc recomendada pelo fabricante da ferramenta de corte era 1000 mm/min. Entretanto, a
velocidade de corte vc escolhida foi 603 mm/min (16000 RPM) que é a máxima velocidade de
corte alcançada para uma ferramenta de φ 12 mm com a máquina-ferramenta disponível. A
escolha dessa velocidade de corte está relacionada simplesmente a obter a máxima velocidade
de corte para o processo.
86
Tabela 3.4: Parâmetros de corte utilizados na fabricação do componente.
Parâmetros de corte Combinações ap (mm)
ae (mm)
fz (mm/dente) nº ap
(mm)ae (mm)
fz (mm/dente)
0,1 0,1 0,05 1º 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 2º 0,1 0,1 0,05 3º 0,2 0,1 0,05 4º 0,1 0,1 0,2 5º 0,2 0,1 0,2 6º 0,1 0,2 0,05 7º 0,1 0,2 0,2 8º 0,2 0,2 0,05
Utilizando esses parâmetros de corte foram programadas trajetórias de ferramenta
utilizando os 5-eixos da máquina-ferramenta, simultaneamente (Figura 3.12) para acabamento
das superfícies de pressão e sucção.
Devido à maquina-ferramenta ser altamente rígida e não ter folgas o corte concordante
foi escolhido (KARINO, 1996). As superfícies de sucção e de pressão foram usadas como
superfícies de referência para a inclinação da ferramenta e também. Buscando-se os melhores
valores para rugosidade real e também uma usinagem livre de invasões, procuro-se inclinar a
ferramenta em 70º (α ), com relação à normal à superfície e no sentido transversal a direção
de avanço da ferramenta de corte e 0º ( β ), com relação à normal à superfície e no sentido de
avanço da ferramenta de corte.
87
Figura 3.12: Estratégia para acabamento das superfícies.
3.6.4 Procedimento para criação de simulador de máquina-ferramenta.
Para o fresamento 5-eixos existe a necessidade de utilização de simuladores realísticos
que levem em conta todo o volume de trabalho da máquina-ferramenta e os dispositivos
instalados, tais como morsas e dispositivos de preset. Entretanto, a máquinas-ferramenta
utilizada nos experimentos, muito menos os dispositivos de fixação e preset não fazem parte
da biblioteca de máquinas-ferramenta do software UG NX. Contudo, no presente trabalho foi
desenvolvido um simulador com as características geométricas da máquina-ferramenta do
laboratório CCM do ITA com todos os dispositivos utilizados pela máquina-ferramenta para
realização do processo de fresamento. As etapas para a criação desse simulador são
apresentadas a seguir:
• Aquisição das características geométricas da maquina-ferramenta estudada; (curso dos
eixos XYZ e posição relativa dos eixos rotativos A e C);
88
• Adição de dispositivos como o de refrigeração e preset de ferramentas que estão
presentes no volume de trabalho;
• Adição de características cinemáticas com ajuda do módulo Machine Tool Builder do
software UG NX 3;
• Criação de VNC a partir de pós-processador criado para a máquina-ferramenta
simulada;
Inclusão da máquina-ferramenta na Biblioteca de maquinas do UG NX3.
Primeiro, foi feito uma mapeamento de características geométricas da maquina-
ferramenta (Figura 3.13). Essas características incluem as posições relativas dos eixos
rotativos A e C e o volume de trabalho da máquina-ferramenta.
89
Figura 3.13: Características geométricas da máquina-ferramenta.
Adicionar detalhes dos sistemas auxiliares da máquina-ferramenta foi o escopo da etapa
2 do desenvolvimento do simulador. Os sistemas inclusos foram dispositivo para medição de
ferramenta de corte, sistema de refrigeração, porta ferramentas, etc. (Figura 3.14).
90
Figura 3.14: Modelo CAD da maquina ferramenta simulada.
Feita a modelagem da máquina-ferramenta, seguiu-se para etapa 3 que foi introduzir ao
modelo geométrico as características cinemáticas da máquina-ferramenta, como por exemplo,
definir a direção dos eixos de translação e dos sentidos de giro, positivo e negativo dos eixos
rotativos ou de orientação da ferramenta.
Na etapa 4 foi criado um VNC (Virtual Numerical Control) que pudesse emular o CN
(Comando Numérico) Siemens 840D com o simulador. Tinha-se como objetivo a criação de
um VNC que obtivesse todas as características do comando.
A última etapa foi adicionar a máquina-ferramenta à biblioteca de máquinas-ferramenta
do UG NX, para que o modelo cinemático de máquina-ferramenta criado fosse utilizado no
modulo de manufatura do UG NX.
Construído o simulador conforme descrito nesta subseção as operações programadas
para a fabricação dos componentes foram simuladas. As operações CAM que até então estão
91
descritas em formato genérico são transformadas em código NC e simuladas no ambiente
virtual construído.
3.6.5 Procedimento para medição dos percursos da ferramenta de corte
Para a avaliação das características dinâmicas e de interpolações disponíveis no
comando da máquina-ferramenta (SIEMENS 840D), optou-se pela coleta de dados em tempo
real via interface OPI (Operator Panel Interface). Essa porta foi conectada a uma placa PCI
(SIMATIC NET-CP5611 MPI) através de um cabo MPI (Multi-Point Interface) (Figura 3.15).
Assim, grande parte das informações que estão disponíveis na HMI (Human Machine
Interface) se tornaram disponíveis num PC, utilizando um conversor de comunicação CNC-
PC (software NCDDE, que acompanha o pacote MMC Start Up, da empresa SIEMENS).
Figura 3.15: Sistema para aquisição de dados em tempo real do CNC.
92
A partir desse conversor, já no formato DDE (Dynamic Data Exchange), utilizou-se
uma rotina desenvolvida na plataforma LabVIEW, que pode utilizar esse como entrada para
monitorar e coletar os dados. A rotina disponibiliza e armazena os dados num arquivo de
texto que podem ser levados para análise em outro software (geração de gráficos, planilhas,
etc). A matriz de ensaios utilizada para os ensaios de interpolação está definida na Tabela 3.5.
Tabela 3.5: Matriz de teste para os ensaios de interpolações.
fz (mm/dente) 0,1 (3183mm/min) 0,2 (6366mm/min) 0,3 (9549) Tolerância CAM (mm) 0,025 0,005 0,001 Interpolação Linear Circular Polinomial
Foram mantidas fixas a profundidade de corte lateral (ae), a profundidade de corte axial
(ap), a velocidade de corte (vc). As variáveis ensaiadas foram o avanço por dente (fz), e
tolerância CAM (intol/outol). Foram escolhidas 3 opções de Tolerância CAM e 3 tipos de
interpolação gerando 27 combinações.
A tolerância CAM (intol/outol) é definida como a máxima distancia entre uma reta
definida entre dois pontos consecutivos interpolados na geração de trajetória de ferramenta e o
perfil da peça entre esses pontos (aproximado por um arco) (Figura 3.16).
Figura 3.16: Tolerância (intol/outol) utilizada na programação CAM
93
A partir dos resultados, procurou-se definir um perfil que caracterizasse a usinagem por
acelerações e desacelerações dos eixos. Esse perfil foi baseado no modelo utilizado para
homologação de máquinas-ferramenta definido pela Associação Alemã de Fabricantes de
Máquinas-Ferramenta (Verein Deutscher Werkzeugmachinenfabriken). O perfil foi dividido
em 27 raias como a mostrada na Figura 3.17.
Figura 3.17: Teste de Interpolação de trajetória de ferramenta .
Apesar do estudo realizado com os tipo de interpolações interpretadas pelo comando
numérico não foi possível a utilização de todos eles para a fabricação de componentes em 5-
eixos simultâneos. A única interpolação para 5-eixos simultâneos no software UG NX é a
interpolação linear. Essa foi a interpolação escolhida para a fabricação do componente devido
a essas restrições encontradas.
3.6.6 Pós-processamento dos programas
O código NC das trajetórias de ferramenta de corte das operações programadas com o
software CAM foram validadas através da simulação do código no simulador criado. Feita a
simulação, é necessária a criação dos programas que serão executados na máquina-
ferramenta. Para tanto, um pós-processador foi desenvolvido com o auxilio do aplicativo
PostBuilder da empresa UGS. Este aplicativo destina-se a criação e edição de pós-
94
processadores NC. Com as informações adquiridas com a criação do modelo simulador de
máquina-ferramenta também pode-se criar um pós-processador.
Toda a formatação do código NC para o NC Sinumerik 840 D foi dado com o auxilio
desse software desde formado das coordenadas, até informações dadas ao PLC da máquina-
ferramenta como ligar o sistema de refrigeração por exemplo.
A esse pós-processador foi adicionada a função TRAORI que é uma comando usado
para habilitar transformações 5-eixos no NC Sinumerik 840d. Com essa função ativada o NC
passa a ser responsável pela conversão de dados de posição e orientação em movimentos de
máquina.
Em conjunto a função TRAORI, a orientação da ferramenta de corte foi definida a partir
do versor (A3, B3, C3). Dessa forma, o programa gerado pelo pós-processador é independente
da cinemática da máquina-ferramenta utilizada, visto que o pós-processador não fornece
diretamente os movimentos dos eixos rotativos A e C e sim o versor (A3, B3, C3). Este serve
como entrada para o processamento dos reais movimentos das mesas A e C que são definidos
pelo próprio NC.
3.6.7 Procedimento para fabricação dos componentes
Para a execução dos programas na máquina-ferramenta é necessário que a peça esteja
bem fixa a mesa. Em paralelo às atividades CAD/CAM foi desenvolvido um dispositivo de
fixação que serviu para a fixação do componente na mesa C da máquina-ferramenta. O
dispositivo foi construído com componentes cilíndricos de fácil fabricação de forma a fixar a
peça pelo seu centro. Dessa forma se teve acesso a todas as pás do componente numa só
fixação. A Figura 3.18 ilustra o dispositivo criado para a fixação do componente.
95
Figura 3.18: Dispositivo de fixação para a fabricação do componente.
Fixada a peça realizou-se o preset da peça e das ferramentas que foram utilizadas nas
operações programadas. Feito isso, executou-se o programa com as operações programadas.
Nesse programa estavam todas as operações e seus respectivos parâmetros pré-selecionados
na programação CAM para analise posterior. Assim, obtém-se o componente com o término
das operações realizadas pela máquina-ferramenta com as diversas situações que se quer
estudar.
3.6.8 Procedimentos para medição de forma e acabamento da superfície usinada
Com objetivo de se medir a qualidade superficial das superfícies fresadas em 5-eixos
simultâneos foram feitas medições de rugosidade. As medições foram feitas numa mesma
região de forma que a curvatura da superfície fosse um fator comum para as várias medições,
96
num total de 20 (10 superfícies de sucção e 10 superfícies de pressão). Devido às
características de curvatura da superfície e ao acesso do instrumento de medição
(rugosímetro) a essas superfícies, optou-se por aproximar a direção de medição por uma
direção próxima à direção transversal ao avanço da ferramenta de corte (Figura 3.19).
Figura 3.19: Direção das medições de rugosidade realizadas na peça.
A Figura 3.20 mostra o esquema de montagem para as medições de rugosidades nas
superfícies que forma usinadas.
Figura 3.20: Montagem em bancada para medição de rugosidade.
97
Os parâmetros utilizados no equipamento para as medições de rugosidade, conforme
ISO 5436-1: 2000, para medição de rugosidade entre 0,1-2,0. São mostrados na Tabela 3.6:
parâmetros utilizados no rugosímetro.
Tabela 3.6: parâmetros utilizados no rugosímetro.
Parâmetro Parâmetro selecionado
Norma seguida ISO 5436-1:2000
Comprimento de medição l (mm) 0,8
N (número de amostras) 5
Extensão medida lN (mm) 4
Filtro PC50 (Gaussiano)
A digitalização é a primeira etapa do processo de engenharia reversa. Existem duas
formas de capturar pontos de um modelo: a primeira é por contato físico (um componente
físico conhecido como apalpador (probe) toca a geometria e coleta pontos do seu perfil)
(Figura 3.21); a segunda, sem contato físico (recursos ópticos e/ou sensores de luz projetam
feixes de luz sobre a geometria).
Para a avaliação da forma do modelo físico (peça usinada em 5-eixos) e sua comparação
com o modelo CAD utilizou-se a técnica por contato físico.
Através do software de inspeção PowerINSPECT e de um braço de inspeção articulado
da empresa CIMCORE foram coletados pontos de interesse da geometria (pontos nas
superfícies usinadas em 5-eixos). A partir desses pontos foram comparados o modelo CAD e
o modelo físico (Figura 3.21).
98
Figura 3.21: Inspeção da geometria estudada no trabalho.
99
4 Análise dos resultados
4.1 Análise de geometrias importadas (IGES, PARASOLID)
Serão analisadas a seguir as superfícies da geometria estudada neste trabalho. Os
resultados são qualitativos devido aos objetivos do trabalho. O desenvolvimento de
algoritmos e estruturas de arquivos não está no escopo desse trabalho.
A pá do impelidor foi propositalmente modelada com dimensões maiores de forma a
ser “cortada” (trimmed) posteriormente em suas dimensões corretas. Dessas operações
resultaram as superfícies de proteção (Shroud surfaces) e as superfícies de sucção e pressão,
que são superfícies trimadas (Figura 4.1).
Figura 4.1: Procedimento de modelagem das pás de um compressor.
Esse procedimento de modelagem acarretou num contorno mais complexo das bordas
nas superfícies de sucção e pressão. A Figura 4.2 mostra a parametrização original de uma das
superfícies de sucção da geometria. Ela permanece após a operação booleana de corte das
superfícies.
100
Figura 4.2: Parametrização original e superfície após operação booleana (trimming).
Para a reparametrização das superfícies, utilizou–se o método de Coons conforme
mencionado na referencia YANG (2003) e na documentação que acompanha o software UG
NX 3. A trajetória de ferramenta gerada utilizando formato IGES é mostrada na Figura 4.3.
No detalhe são mostrados erros na trajetória que se deve a ineficiência do algorítmo de
reparametrização e resultado das características de borda da superfície trimada.
Figura 4.3: Geração de trajetória de ferramenta na superfície.
Para as geometrias exportadas em formato PARASOLID esse problema não foi
evidenciado. Para confirmar que os erros gerados na trajetória eram de fato oriundos das
101
operações boolenas efetuadas sob essas superfícies, constatou-se a necessidade de um outro
experimento.
Na Figura 4.3 são mostrados exemplos de trajetórias de ferramenta criadas para as 3
superfícies criadas para esse estudo de geração de trajetória de ferramenta. Nota-se uma
mudança na forma da trajetória mediante a complexidade das bordas geradas pelas operações
de corte (trimming). Na Figura 4.4 é mostrado o que acontece se o grau de complexidade da
operação de trimagem aumenta.
Figura 4.4:Superfícies utilizadas para avaliação de geração de trajetória.
Na Figura 4.5 são mostradas trajetórias de ferramenta para a complexidade de borda 1.
As inclinações escolhidas no sentido do avanço da ferramentaβ (lead) e para as inclinações
escolhidas no sentido transversal ao avanço da ferramentaα (tilt) também são mostradas na
102
Figura 4.5. Pode-se observar que a superfície foi reparame rizada com sucesso visto que a
trajetória de ferramenta é satisfatória.
t
Figura 4.5: Trajetórias gerada para superfície com complexidade de borda 1.
aves. Portanto, o
process
mesmo com a variação na inclinação da
ferrame
Na verificação da trajetória os movimentos se mostraram bastante su
o de fabricação em 5-eixos para essa superfície se mostra bastante viável em virtude
da qualidade da trajetória de ferramenta obtida.
A forma da trajetória não foi alterada
nta de 30º para ambos os ângulos α e β não alterou em nada a forma da trajetória.
Confirmando a literatura [60] (YANG, 2003), pode-se observar que a medida que se
aumenta a complexidade da borda da superfície, o erro proporcionado na trajetória também
103
aumenta (Figura 4.6). Percebe-se que para com esse nível de complexidade o algoritmo de
reparametrização deixa de ser eficiente.
Figura 4.6: Trajetória gerada para superfície com complexidade de borda 2 e β 15º.
A trajetória da ferramenta apresenta descontinuidades que geram movimentos bruscos
da ferramenta de corte. As linhas que descrevem visualmente a trajetória dão voltas em cima
delas mesmas, fazendo que o processo de fresamento gerado seja improdutivo já que a
ferramenta de corte passa pela mesma região algumas vezes seguidas.
Figura 4.7: Trajetória gerada para superfície com complexidade de borda 2 e β 45º.
Aumentando-se a inclinação da ferramenta de corte verificou-se um aumento do
número de movimentos bruscos e a magnitude deles bem como a improdutividade da
trajetória também aumentou visto que pode ser visto na Figura 4.7, a trajetória dá voltas em
cima dela mesma um número de vezes maior que na Figura 4.6.
104
Figura 4.8: Trajetória gerada para superfície com complexidade de borda 2 e α 15º.
A Figura 4.8 mostra a trajetória gerada para as inclinações de ferramenta no sentido
transversal ao avanço. Pode-se ver comportamento similar ao acontecido com inclinações no
sentido de avanço. A medida que se aumenta a inclinação da ferramenta aumenta-se também a
complexidade da trajetória da ferramenta gerada.
Figura 4.9: Trajetória gerada para superfície com complexidade de borda 2 e α 45º.
Essas mesmas conclusões podem ser tiradas com relação ao 3º de complexidade de
borda de superfície Figura 4.10.
105
Figura 4.10: Trajetória gerada para superfície com complexidade de borda 3.
106
4.2 Análise da remodelagem de geometrias 3D para fresamento 5-eixos
Com as três curvas do modelo anterior (duas retas e um arco) foi modelada uma spline
única que consequentemente foi base para a criação de uma superfície de revolução suave
(Figura 4.11).
Figura 4.11: Analise Gaussiana após remodelagem.
A superfície foi submetida a uma análise da sua curvatura gaussiana. A variação de
curvatura acontece de forma gradual, não ocorrendo mudanças bruscas de curvatura como
acontecia no modelo original.
A importância dessa transição se dá pela ligação entre a inclinação da ferramenta e os
vetores normais à superfície. Se há transições bruscas de curvatura na superfície,
consequentemente acontecem mudanças bruscas de inclinação da ferramenta de corte. Muitas
vezes isso ocasiona invasão das superfícies, mas pode chegar a ocasionar uma colisão entre
componentes da máquina-ferramenta.
Também foram verificados alguns erros nas operações de corte (trimming) das pás.
Esses erros se caracterizavam por, novamente, terem sido usados arcos e retas para a
definição do contorno, resultando em superfícies de proteção (Shroud surfaces) descontinuas
(Figura 4.12). Essas descontinuidades eram similares as encontrados anteriormente, sendo que
107
dessa vez as superfícies utilizadas como superfícies de corte (trim surface) é que tinham
descontinuidade ocasionada pelo mesmo motivo anteriormente comentado. Essa
descontinuidade foi consertada da mesma forma que da vez anterior.
Figura 4.12: Descontinuidade na superfície de proteção.
4.3 Análise das medições dos percursos da ferramenta de corte em tempo real
A seguir são apresentadas as análises das trajetórias de ferramenta. Vale ressaltar que
esses resultados caracterizam os equipamentos e peça presentes nos ensaios (CNC, máquina-
ferramenta, sistema CAD/CAM e geometria da peça).
Mantendo-se a tolerância CAM de 0,025 mm e o avanço por dente fz = 0,1 mm/z
(pequeno), e variando-se os tipos de interpolação, o comportamento da velocidade de avanço
vf na trajetória programada é mostrado na Figura 4.13. Verifica-se que existe quase o mesmo
comportamento para as interpolações linear e polinomial. Para trechos do perfil aproximados
por arcos a interpolação circular teve um comportamento melhor, isto é, a velocidade de
avanço programada de 3183 mm/min foi alcançada nesse trecho.
A semelhança entre os perfis de velocidade polinomial e linear para essa situação pode
ser atribuída a tolerância CAM de 0,025 mm que é pequena para geração de polinômios de
grau superior a 1.
108
Figura 4.13: Velocidade para fz = 0,1mm/z e tol.CAM de 0,025 mm.
A medida que se diminui a tolerância CAM se diminui a capacidade de se gerar arcos
para interpolação circular fazendo com que a interpolação circular se assemelhe à
interpolação linear (Figura 4.14).
Na Figura 4.14 podem ser observadas situações em que a velocidade de avanço ficou
constante em alguns instantes para os tipos de interpolação, chegando a atingir a velocidade
programada de 3183 mm/min utilizando tolerâncias CAM menores. Essa característica é
independente do tipo de interpolação que se estava utilizada.
Para uma velocidade de avanço constante tem-se que a aceleração é zero. Esse
argumento pode ser utilizado para explicar a causa dos melhores desempenhos de trajetórias
com valores de tolerância CAM menores. Para uma tolerância CAM pequena e valores de
avanço por dente fz de 0,1 mm a variação de aceleração foi pequena.
109
Figura 4.14: (a) Interpolação linear, (b) Interpolação Circular, (c) Interpolação Polinomial.
110
Figura 4.15: Tempo X Tolerância CAM para: (a) Linear (b) Circular e (c) Polinomial.
Analisando-se o tempo para execução de uma trajetória vê-se que ele diminui com o
aumento da velocidade média de avanço e decréscimo da tolerância CAM. Essa constatação
pode ser feita analisando a Figura 4.15 que é o tempo para percorrer a trajetória programada
como uma função da tolerância CAM utilizada.
Outra informação que pode ser obtida analisando a Figura 4.15 é que o aumento do
avanço por dente fz de 0,1 para 0,3 mm não ocasionou ganhos significativos na velocidade do
111
processo. Ou seja, o tempo de execução da trajetória não foi significantemente diminuído. Ao
contrário, para a interpolação linear, o aumento do avanço por dente fz fez com que o tempo
de execução se tornasse maior para tolerância CAM de 0,025mm (Figura 4.15(a)).
Figura 4.16: Velocidade para fz = 0,3mm/z para as interpolações: (a) Linear (b) Circular (c) Polinomial.
112
Analisando a Figura 4.16, vê-se que em nenhum momento a velocidade de avanço
ficou constante isso se deve as altas velocidades de avanço empregadas nessa situação. Para o
avanço por dente fz = 0,3mm/dente, tem-se que apenas a interpolação polinomial chegou
próximo à velocidade de avanço (vf) programada de 9549 mm/min, acontecendo para uma
tolerância CAM de 0,001mm.
4.4 Analise do simulador 3D da máquina-ferramenta.
Apresenta-se nessa subseção os resultados alcançados para o simulador de máquina-
ferramenta desenvolvido para esse trabalho.
Através do simulador construído, se conseguiu prever colisões dos componentes
presentes nas mesas da máquina-ferramenta, bem como realizar análises a respeito das
estratégias de corte utilizadas. Obteve-se uma informação fiel a respeito do volume de
trabalho da máquina-ferramenta nas etapas de programação.
Foi possível a utilização de mais de uma janela (vista) para visualização da simulação
do processo de fresamento 5-eixos. Essa ferramenta auxilia na análise da simulação e na sua
posterior validação (Figura 4.17), ou seja, facilita a visualização de possíveis colisões.
A interface com o programador é fácil, não sendo necessários, por exemplo,
conhecimentos a respeito de como foi construído o simulador. Existe a possibilidade de se
parar a simulação, aumentar e diminuir a velocidade em que ela ocorre. Além disso, pode-se
mudar o ângulo de visão em qualquer uma das janelas de visualização criadas.
Existe a necessidade de um hardware adequado para se ter um bom aproveitamento do
simulador. Um micro computador com 2GB de memória RAM e uma placa de vídeo de 256
MB se mostrou ser uma configuração satisfatória para as tarefas de simulação desse trabalho.
113
Figura 4.17: Simulação de processo de fresamento 5-eixos.
Além disso, se consegue acompanhar a retirada de material na simulação fazendo com
que esta seja realista. Para essa tarefa é requerido bastante processamento do micro
computador. Comportamento semelhante de processamento teve-se quando se optou por fazer
a verificação automática de colisão.
Por fim, algumas funções especificas do comando SINUMERIK 840D, tais como,
TRANS, ROT, ATRANS, AROT e TRAORI não foram totalmente emuladas no VNC devido
as características desses recursos que não estão disponíveis na biblioteca de comandos do
software utilizado para criação do VNC (Post Builder).
114
4.5 Análise do processo de fabricação das superfícies
O processo de fabricação foi bem sucedido tendo em vista que não aconteceu
nenhuma colisão ou invasão das superfícies de pressão e de sucção das pás do impelidor.
Entretanto, problemas como vibração das pás foram evidenciados durante o processo, o que
não pode ser previsto no processo de simulação e verificação das estratégias criadas. Essa
vibração foi causada pelo próprio perfil das pás, que era muito esbelto (Figura 4.18).
Figura 4.18: Perfis das pás submetidas a operações de acabamento.
Para solucionar os problemas de vibração, ferramentas positivas e condições de
engajamento melhoradas foram necessárias. Essas condições proporcionaram diminuição da
vibração e conseqüente execução das operações programadas para os ensaios.
Além disso, não se consegui trabalhar com velocidades de avanço vf superiores a
(3200 mm/min) em 5-eixos simultâneos. Nessa situação, verificou-se na HMI (Human
115
Machine Interface) grande variação da velocidade de avanço o que caracteriza um processo
instável.
Para avanços menores, observaram-se movimentos suaves e contínuos da máquina-
ferramenta. Os eixos de rotação limitaram a velocidade de avanço devido à necessidade de
sincronização entre os eixos de translação e rotação.
Os melhores estratégias no que se refere a movimentação dos eixos se deram quando
se estava utilizando velocidade de avanço vf de 1600 mm/min (fz 0,05mm/dente), essa
velocidade foi alcançado interpolando os 5 eixos da máquina-ferramenta simultaneamente. A
outra velocidade de avanço programada vf de 6400 mm/min (fz 0,2mm/dente) não foi
alcançada. Para este último caso a velocidade de avanço vf oscilou por volta de 3500 mm/min.
4.6 Análise das medições das superfícies Usinadas
As análises das superfícies usinadas mostram desvios de forma e acabamento
superficial satisfatório. Segundo informações colhidas com projetistas desses componentes, o
acabamento superficial deveria ficar com Rz máximo de 5µm. Para todas as medições de
rugosidade os valores de Rz ficaram abaixo desse valor. A Figura 4.19 mostra os perfis de
rugosidade medido para os maiores valores de Rz encontrados para ambas as superfícies de
pressão e sucção.
Além disso, a Figura 4.19 mostra o perfil de rugosidade após o uso do filtro Gaussiano
PC50 que é usado como filtro passa alta. O seu uso é necessário devido a própria curvatura
das superfícies.
116
Figura 4.19: Rugosidade da superfície de sucção para o maior Rz.
Confirmando a referência ZANDER (1995), para uma ferramenta de corte de topo
esférico a rugosidade no sentido transversal ao avanço da ferramenta é maior para a maior
profundidade de corte radial ae (0,2mm).
117
Figura 4.20: Rugosidade da superfície de pressão para o maior Rz.
Os menores e valores de Rz encontrados para as superfícies de sucção são mostrados
na figura a seguir (Figura 4.21).
118
Figura 4.21: Rugosidade da superfície de sucção para o menor Rz.
Os menores valores de Rz para as superfícies de pressão são mostrados na Figura 4.22.
119
Figura 4.22: Rugosidade da superfície de pressão para o menor Rz .
As análises das medições feitas com auxílio de sistemas de inspeção mostraram que,
para todas as pás, foram obtidos erros de forma dentro das especificações de projeto (Figura
4.23).
120
Figura 4.23: Erro de forma encontrado nas medições feitas.
O desvio padrão σ dos pontos coletados foi de 0,053mm, o que caracteriza uma
pequena dispersão dos valores coletados em torno da média calculada.
121
5 Conclusões e sugestões para trabalhos futuros
O presente capítulo tem por fim expor as conclusões a respeito do trabalho e também dar
sugestões para a continuidade de pesquisas a cerca do fresamento 5-eixos e todas as
tecnologias envolvidas nesse processo de manufatura. Procura-se para tanto abordar os
objetivos e os resultados alcançados na obtenção desses objetivos.
5.1 Conclusões
O método proposto para a utilização da tecnologia Five Axes Machining mostra que para
utilização dessa tecnologia e conseqüente obtenção do retorno produtivo e financeiro que
justifica o uso do fresamento 5-eixos é necessário considerar aspectos como a modelagem
CAD, a simulação das operações de fresamento em simuladores de máquina-ferramenta, o
pós-processamento, etc. Alguns destes podem ser irrelevantes quando se está trabalhando com
fresamento 3-eixos, mas para o caso aqui proposto, fresamento 5-eixos, devem ser levados em
consideração ou até mesmo ser dado uma atenção especial.
O fato é que toda tecnologia tem suas limitações e o ganho produtivo esperado está para
aqueles que conseguem lidar como essas limitações e faz o uso das tecnologias de forma
ampla e racional.
Dessa forma, o trabalho aqui apresentado definiu um método integrado para modelagem
em CAD e a programação dos processos de fabricação utilizando a tecnologia CAM para
fresamento 5-eixos. Assim, as limitações da tecnologia CAM são levadas em conta ainda nas
etapas de modelagem CAD. Isso proporcionou maior integração entre as tecnologias CAD e
CAM no sentido que muitos problemas que seriam constatados nas etapas de programação
CAM podem ser evitados desde que nas fases de modelagem CAD essas limitações sejam
conhecidas e evitadas.
122
Dessa forma, a modelagem gerada com aplicativos CAD foi direcionada a considerar
características do fresamento 5-eixos, tais como, evitar a geração de superfícies descontinuas,
evitar cortes (trim) em superfícies que ocasionem erros na geração de trajetórias de
ferramenta, etc.
Uma desvantagem do método é que se necessita de um maior tempo para o treinamento
de um projetista de forma a ele poder considerar as características envolvidas na manufatura
de superfícies por ele modeladas.
Entretanto, a modelagem satisfatória de geometrias em software CAD faz com se seja
diminuido o tempo de programação de um determinado componente utilizando software
CAM. Isso se deve a não ser necessário o re-trabalho dessas geometrias pelo programador
CAM.
No trabalho, as variáveis identificadas e significativas na cadeia CAD/CAM/CNC para o
fresamento 5-eixos foram discutidas de forma a se verificar a real influência delas na cadeia
CAD/CAM/CNC. Sejam elas, a descontinuidade superficial, as operações booleana que
originam bordas complexas de superfícies, o pós-processamento NC, a complexidade de
movimentos que faz necessária a existência de simuladores realísticos.
Entretanto, variáveis do processo de fresamento, tais como, usinabilidade, vibração,
fixação do componente, ferramentas, etc., foram deixados em segundo plano. Simplificando o
problema, admitiu-se que as escolhas feitas nesses quesitos eram as melhores e essas escolhas
foram baseadas na literatura existente.
A simulação da máquina-ferramenta fez com que fossem analisadas etapas do processo
que aconteceriam no CNC. Com esse recurso, já nas etapas de programação teve-se uma
previsão de qual seriam os movimentos desempenhados pela máquina-ferramenta e regidos
123
pelo CNC. Com isso foi afastada a possibilidade de colisão dos componentes da máquina-
ferramenta.
Entretanto, o VNC (Virtual Numerical Control) utilizado nesse trabalho não emula
completamente todas as funções do comando SIEMENS Sinumerik 840D. Algumas funções
exclusivas desse comando, tais como, TRAORI, ROT, AROT, TRANS, ATRANS não
puderam ser simuladas. Essas funções devem ser melhor trabalhadas para que a simulação
apresente maior veracidade.
A escolha da melhor interpolação de trajetória deve levar em conta tolerância requerida
no fresamento. No trabalho chegou-se a conclusão de que para tolerâncias pequenas
(0,001mm), caracterizadas para acabamentos, a execução pela máquina-ferramenta foi mais
rápida do que tolerâncias um pouco maiores (0,005mm) para os tipos de interpolação
estudados e na máquina-ferramenta utilizada. Para valores de tolerância grandes (0,025mm), a
geração de arco na interpolação circular é favorecida. Assim, para essa tolerância de trajetória
a melhor escolha de interpolação é a interpolação circular. Para valores de tolerância menores
a geração de arco é prejudicada fazendo que a interpolação circular se torne quase que linear,
ou seja, geração de poucos arcos e muitos segmentos de retas.
Os valores de rugosidade e de desvio de forma das superfícies usinadas atenderam as
especificações de projeto. A melhor escolha de parâmetros para a geração das superfícies de
sucção foi (ap 0,1mm; ae 0,2mm; fz 0,2mm) e para superfícies de pressão foi (ap 0,2mm; ae
0,2mm; fz 0,05mm).
Entretanto, a curvatura das superfícies pode ter influenciado no resultado medido muito
mais do que as medidas tomadas puderam evitar. Isso se deve ao equipamento indicado ser
limitado a medições de rugosidades em superfícies planas ou quase planas. A dificuldade de
acesso entre as pás também foi outro ponto limitante visto que devido a isso a rugosidade no
sentido de avanço da ferramenta de corte não pode ser medida.
124
A digitalização de pontos do componente apresentada no trabalho pode ser substituída
por técnicas de varredura tridimensionais de forma a se ter um modelo 3D e esse ser
comparado a geometria CAD original.
5.2 Sugestões
Devido as limitações aqui apresentadas e relacionadas à geração de trajetória em
superfícies cortadas (trimmed surfaces), propõem-se que sejam desenvolvidos métodos
alternativos para re-parametrização das superfícies cortadas de forma a otimizar a geração de
trajetórias dos software CAM.
Devido às limitações do simulador aqui criado com relação ao VNC criado, propõem-se
criação de um VNC (Virtual Numerical Control) que simule as características do comando
Siemens 840D aumentando a confiabilidade da simulação. Incluindo também a possibilidade
de interpolação da trajetória de uma ferramenta utilizando NURBS.
Em virtude das limitações encontradas na medição de rugosidade, propõem-se o uso de
outros métodos que realizem medições de rugosidade. Principalmente, medições de
rugosidade em 3D em vez de medições de rugosidade tradicionais em linhas.
Realizar estudos considerando também a variável material, visto que os componentes de
uma turbina a gás, geralmente utilizam metais de usinagem extremamente difícil como ligas
de níquel e titânio.
125
Referências bibliográficas
1. BARBOSA, J. R. Um programa para desenvolvimento da capacidade nacional de turbinas a gás. In: ENCONTRO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA E PÓS-GRADUAÇÃO DO ITA, II, 1996, São José dos Campos. Anais... São José dos Campos, 1996. p. 142-145.
2. BARBOSA, J. R.; MILLIPEDES, P. GEOPHILES – Generation of Power with High Levels of Environmental Frienliness: a technology transfer project between Europe and South America. In: INTERNATIONAL GAS TURBINES & AERO ENGINE CONGRESS & EXHIBITION, 2000, Munich. Proceedings... Munich: ASME, 2000. (ASME PAPER 2000-GT-586)
3. GROSSMAN, D. Opportunities for research on numerical control machining. Communications of the ACM, v. 29, n. 6, jun., 1986.
4. GE FANUC COMPANY. Automation 2004. Disponível em: <http://www.gefanuc.com>. Acesso em: 15 dez. 2004.
5. OSU, A. Critical history of computer graphics and animation. Ohio, Ohio State University, 2004. Disponível em: <http://accad.osu.edu/~waynec/history/timeline.html>. Acesso em: 10 jan. 2005.
6. VANDRESEN, M. Fresamento de cavidades auxiliado por computador, na indústria de moldes para plástico.112f. 1997. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis.
7. DERFLER JR, F.; FREED, L. Como funcionam as redes. 2.ed. [S.l.]: Quark, 1993.
8. SUTHERLAND, I. E. Sketchpad – A man – machine graphical communication system. SPRING JOINT COMPUTER CONFERENCE, 1963, Detroit. Proceedings... Detroit: [s.n], 1963. (MIT Lincoln Laboratory Technical Report n. 296, January 1963.)
9. KIEF, H. B; WATERS, F. Computer numerical control: a CNC reference guide. Singapura: McGraw Hill, 1992.
10. FARIN, G. Curves and surfaces for computer aided geometric design. 3rd Ed. New York: Academic Press, 1993.
11. ANSWERS CORP. ENCYCLO*DICTION*ALMANAC*APEDIA: ENCICLOPEDIA DIGITAL verbete online disponivel em: <http://www.answers.com/topic/computer-aided-design> acesso em: 1 abr. 2005.
12. ELLAS, H. The good-looking textured light: sourced bouncy fun smart and stretchy page. 2003, Artigo online Disponível em: <http://freespace.virgin.net/ hugo.ellas>. Acesso em: 25 Set. 2005
13. NEWELL, M. G.; NEWELL, R. G.; SANCHA, T. L. A Solution to the hidden-surface problem. In: ASSOCIATION FOR COMPUTING MACHINERY) NATIONAL CONFERENCE, 1972, Arlington. Proceedings... Arlington: ACM, 1972.
126
14. XEROX. Palo Alto Research Center. PARC History. Palo Alto, 2002. Disponível em: < http://www.parc.xerox.com/about/history/default.html >. Acesso em: 15 jan. 2005.
15. SIGGRAPH (The International Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques) 2005. Disponível em: <http://www.siggraph.org/>. Acesso em: 16 jan. 2005
16. McHUGH, M. P. An Interview with Edwin Catmull: co-founder, executive vice president and chief technology officer of pixar animation studios. NETWorker, v. 8, n. 1, oct., 1997. Disponível em : <http://www.usc.edu/isd/pubarchives/ networker/97-98/Sep_Oct_97/innerview-catmull.html> Acesso em: 19 jan. 2005.
17. PHONG, B. T. Illumination for computer generated images. Communication of ACM, v. 18, n.6, june, p.311-317, 1975.
18. O´CONNOR, J. J.; ROBERTSON, E. F. Benoit mandelbrot biography. 1999. Disponível em:<http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/Mathematicians /Mandelbrot.html>. Acesso em: 1 fev. 2005.
19. GALAXI ADVANCED INC. What is GKS (Graphical Kernel Standard).USA, 2002. Disponível em: <http://www.gaeinc.com/gks.htm>. Acesso em: 5 fev. 2005.
20. ROGERS, D. F.; ADAMS, J. A. Mathematical elements for computer graphics. 2nd. Ed. Sigapore: McGraw-Hill, 1990. 661p.
21. OPEN CASCADE S.A.S. Euclid history. Rueil-Malmaison 2000. Artigo on-line. Disponível em: <http://www.opencascade.org/about/profile/history/>, Acesso em: 10 fev. 2005.
22. KONG, L. Et al. A windows: native 3D plastic injection mold design system. Journal of Materials Processing Technlogy, v. 139, p. 81-89
23. CHRISTMAN, A. Evolution of CAM software. 2002. Modern Machine Shop Online, Artigo on-line. Disponível em:. <http://www.mmsonline.com> Acesso em: 11 fev. 2005.
24. PIEGEL, L. A. Rational B-Spline curves and surface for CAD and graphics. In: ROGER, d.f.; EARNSHAW, R. A. State of the art in computer graphics- visualization and modeling. New York: Springer-Verlag,1991. p. 225-269.
25. WEISSTEIN, E. W. NURBS Curve. USA, 1999a. disponível em: <http://mathworld.wolfram.com/NURBSCurve.html>. Acesso em 13 fev. 2005.
26. WEISSTEIN, E. W. Bézier Curve. 1999b. Disponível em: <http://mathworld.wolfram.com/BezierCurve.html>. Acesso em 13 fev. 2005.
27. WEISSTEIN, E.W. Bernstein Polynomials. USA, 1999c. Disponível em: <http://mathworld.wolfram.com/BernsteinPolynomials.html>. Acesso em 13 fev. 2005.
127
28. WEISSTEIN, E. W. B-Spline. USA, 1999d. Disponível em: <http://mathworld.wolfram.com/B-Spline.html>. Acesso em 13 fev. 2005.
29. ROBERT MCNEEL and ASSOCIATES. RHINOCEROS NURBS modeling for Windows, Seattle, 2002. Disponível em: < http://www.rhino3d.com/nurbs.htm >. Acesso em: 12 fev. 2005.
30. WEISSTEIN, E.W. Conic Section. USA, 1999e. Disponível em: <http://mathworld.wolfram.com/ConicSection.html>. Acesso em 13 fev. 2005.
31. WEISSTEIN, E. W. NURBS Surface. USA, 1999f. disponível em: <http://mathworld.wolfram.com/NURBSSurface.html>. Acesso em 13 fev. 2005.
32. HOFFMANN, C. M. Geometric and solid Modeling: an introduction. San Mateo: Morgan Kaufmann, 327p.
33. WU, M.C., LIU, C.R. Analysis on machined feature recognition techniques based on B-rep. Computer-Aided Design, v.28, n.8, p.603-616, 1996.
34. LOBATO, R. Making the move to solid-based machining. Ohio, 2003. Disponível em: <http://www.manufacturingcenter.com/tooling/archives/0903/0903solid.asp >. Acesso em: 15 fev. 2005.
35. KERRY, H.T. Planejamento de processo automático para peças paramétricas. 1997. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecanica) – Escola de Engenharia de São Carlos, São Carlos.
36. JOSHI, S.; CHANG, T. C. Graph-based heuristics for recognition of machined feature from a 3D solid model. Computer-Aided Design, v. 20, n. 2, p.58 - 66,1988.
37. HUANG, Z.; TIAN, S.; ZHOU, J. Solving CSG equations for cheking equivalency between two different geometric models. Computer-Aided Design, v.36, p. 975 – 992, 2004.
38. HUANG, Z.; YIP-HOI, D.; ZHOU, J. A graph-based approach for capturing the capability envelope of a machining process. ASME Journal of Manufacture Science and Engeneering, v. 25, n. 2, p. 272 – 288, 2003.
39. GAO, J.; ZHENG, D.T.; GINDY, N. Extraction of machining features for CAD/CAM integration. International Journal of Advanced Manufacture Technology, v. 24, p.572 – 581, 2004.
40. 3T RPD LTD. Surface versus solid Modelling. Berkshire, 2004. Artigo on-line. Disponível em: <http://www.3trpd.co.uk/students/outcome2/surface-vs-solid-modelling.htm>. Acesso em: 1 abr. 2005.
41. CHOI, B. K.; Kim, B.H. Die-cavity pocketing via cutting simulations. Computer-Aided Design, v. 29, n.12, p. 837-846,1997.
42. LI, S.; JERARD, R. B. 5-axis machining scultured surfaces with a flat-end cutter. Computer-Aided Design, v. 26, n. 3, p.165-78, 1994.
128
43. POTTMANN, H. et al. Geometric criteria for gouge-free three-axis milling of scultured surfaces. ASME Journal of Mechanical Design, v.121, p.241-248, 1999.
44. WOO, T.C. Visibility maps and spherical algorithms. Computer-Aided Design, v.26, n.1, p. 6-16, 1994.
45. DRAGOMATZ, D.; MANN, S. A classified bibliography of literature on NC milling path generation. Computer-Aided Design, v. 29, n. 3, p. 239 – 247, 1997.
46. MARSHALL, S.; GRIFFITHS, J. G. A survey of cutter path construction techniques for miling machines. International Journal of Production Research, v.32, n.12, p. 2861-2877, 1994. BROOMHEAD, M. Generating NC data at the machine tool for the manufacture of free-form surfaces. International Journal Production Research, v.24, n. 1, p. 1-14, 1986.
47. BROOMHEAD, P. EDKINS, M. Gernerating NC data at machine tool for the manufacture of free form surfaces. International Journal of Production Research, v.24, n.1. p.1-14, 1986.
48. ELBER, G.; COHEN, E. Toolpath generation for freeform surface models. Computer-Aided Design, v.26, n.6, p. 490-496, 1994.
49. LOONEY, G. C.; OZSOY, T. M. NC machining of freeform surface. Computer-Aided Design, v. 19, n. 5, p. 85-90, 1987.
50. BOBROW, J. E. NC machine tool path generation from CSG part representation. Computer- Aided Design; v. 17, n. 2, p. 69-76, 1985.
51. HUANG, Y.; OLIVER, J.H. Non-constant parameter NC tool path generation of sculptured surfaces. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, v. 9, p. 281 – 290, 1994.
52. SUH, Y-S.; LEE, K. NC milling tool-path generation for arbitrary pockets defined by scultured surfaces. Computer-Aided Design, v. 22, n. 5, p. 273 – 283, 1990.
53. LEE, Y-S.; CHANG, T. C. Machined surface error analysis for 5-axis machining. International Journal of Production Research, v. 34, n. 1, p.111-135, 1996.
54. LEE, Y-S. Non-isoparametric tool path planning by machining strip evaluation for 5-axis scultured surface machining. Computer-Aided Design, v. 30, n. 7, p. 559-570, 1998.
55. LIN, R-S.; KOREN, Y. Efficient tool-path planning for machining free-form surfaces. Journal of Engineering for Industry, v. 118, n. 1, p. 20-28, 1996.
56. SURESH, K.; YANG, D.C.H. Constant scallop-height machining of free-form surfaces. Journal of Engineering for Industry, v. 116, n. 2, p. 253-259, 1994.
57. DENG, Z.et al. Determination of flat – end cutter orientation in 5 – axis machinining. Manufacture Science and Engineering, ASME, MED-4, p. 73-80, 1996.
129
58. LEE, Y-S. Mathematical modeling using different endmills and tool placement problems for 4- and 5-axis NC complex surface machining. International Journal of Production Research, v. 36, n.3, p.785-814, 1998.
59. WANG, H.et al. On efficiency of NC tool path planning for face milling operations. Journal of Engineering for Industry, v. 109, n. 4, p. 370 – 376, 1987.
60. MARCINIAK, K. Influence of surface shape on admissible tool positions in 5-axis face milling. Computer-Aided Design, v. 19, n. 5, p. 233-236, 1987.
61. KRUTH, J-P.; KLEWAIS, P. Optimization and dynamic adaptation of the cutter inclination during five-axis milling of sculptured surfaces. Annals of CIRPm, v. 43, n. 1, p. 443-448,1994.
62. SARMA, R.; DUTTA, D. The geometry and generation tool path. In: ASME DESIGN ENGINEERING CONFERENCE, 1996, Irvine. Proceedings... Irvine: ASME, 1996. (96-DETC/DAC-1128)
63. FENG, H.Y.; LI, H. Constant scallop–height tool path generation for three-axis sculptured surface machining. Computer Aided Design, v. 34, p. 647-654, 2002.
64. YANG, D. C. H.; CHUAN, J. J.; OULEE, T. H. Boundary-conformed toolpath generation for trimmed free – form surfaces. Computer-Aided Design, v.35, p. 127-139, 2003.
65. LEHTIMÄKI, R. Elliptic grid generation. American Institute of Aeronautics and Astronautics Jounal, v. 37, n. 6, p. 768-770, 1999.
66. LIU, X.-W. Five-axis NC cylindrical milling of sculptured surfaces. Computer Aided Design, v. 27, n. 12, p. 887-894, 1995.
67. TOSHIBA CORPORATION. Hidraulic turbines. Tokio, 2005.
68. YOUNG, H.-T.et al. A five-axis rough machining approach for a centrifugal impeller. The International Journal of Advanced Manufacture Technology, v. 23, p. 233-239, 2003.
69. TEBIS. 3+2-Axis Roughing, Munich, 2005. Disponível em: <http://www.tebis.com/tebis_neu/index.php3?LNG=en&R1=03&R2=03&R3=03&R4=00>. Acesso em: 13 fev. 2005.
70. GRAY, P.; et. Al. Comparison of 5-axis and 3-axis finish machining of hydroforming die inserts. The International Journal of Advanced Manufacture Technology, v.17, n.8, p. 562-569, 2001.
71. RAO, N.; ISMAIL, F.; BEDI, S. Tool path planning for five-axis machining using the principal axis method. International Journal of Machine Tool Manufacturing, v. 37, n. 7, p. 1025-1040, 1997.
72. CROSSMAN, J. A.; YOON, D. A cutter motion simulation system. Transactions of the SDPS, v. 4, n.1, p. 25-35, 2000.
130
73. NATHAN, V. The benefits of virtual manufacturing. CNC Machining Magazine, v. 4, n. 12. 2000. Disponível em: <http://www.cncmagazine.com/archive02/ v4i12/v4i12h-CAD.htm>. Acesso em: 1 jun. 2005.
74. JERARD, R.B. et al. Approximate methods for simulation and verification of numerically controlled machining programs. The Visual Computer, n. 5, p. 329-348, 1989.
75. YANG, J.; ABDEL-MALEK, K. Verification of NC machining process using swept volumes. International Journal of Advanced Manufacture Technology, indicar v. 28 e n. 1-2, p. 82-91, 2005.
76. ROY, U.; XU, Y. 3-D object decomposition with extend octre model and its application in geometric simulation of NC machining. Robotics and Computer-integrated Manufacturing, v. 14, p. 317-327, 1998.
77. PARK, J. W.; SHIN, Y. H.; CHUNG, Y. C. Hybrid cutting simulation via discrete vector Computer-Aided design, v. 37, n. 4, p.419-430, 2005.
78. PARK, J. W.; CHUNG Y. C.; CHOI, B. K. Precision shape modeling by z-map model. International Journal Korean S Prec Eng., v. 3, n. 1, p. 49-56, 2003.
79. MAENG, S. R.et al. A z-map update method for linearly moving tools. Computer Aided Design, v.35. n.11 p. 995-1009, 2003.
80. HUANG, Y.; OLIVER, J. H. Integrated simulation, error assessment, and tool path correction for five-axis NC milling. Journal of Manufacturing Systems, v. 14, n. 5, p. 331-341, 1995.
81. INUI, M.; KANEDA, M.; KAKIO, R. Fast simulation of sculptured surface milling with 3-axes NC machine. In: OLLING, G. J.; CHOI, B. K.; JERARD, R. B. (Eds). Machining impossible shapes. Dordecht: Kluwer, 1999. p. 97-108
82. ANDERSON, R.O. Detecting and eliminating collision in NC machining. Computer Aided Design, v. 10, n.4, p.231-217.1978.
83. LI, Z.Z.; ZHANG, Z.H.; SHENG, L. Feedrate optimization for variant milling process based on cutting force prediction. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, v. 24, n. 7, p. 541-552, 2004.
84. FENG, H.Y.; SU, N. Integrated tool path and feed rate optimization for the finishing machining of 3D plane surfaces. International Journal of Machine Tools and Manufacturing, v. 40, n. 11, p. 1157-1572, 2000.
85. LIM, E. M.; MENQ, C. H. Integrated planning for precision machining of complex surfaces: I. Cutting- path and federate optimization. International Journal of Machine Tools and Manufacturing, v. 37, n. 1, p. 61-75, 1997a.
86. LIM, E. M.; MENQ, C. H. Integrated planning for precision machining of complex surfaces: II. Application to the machining of a turbine blade die. International Journal of Machine Tools and Manufacturing, v. 37, n. 1, p. 77-91, 1997b.
131
87. JUNG, Y.H.; et al. NC Post-processor for 5-axis milling machine of table-rotating/tilting type, Journal of Materials Technology, v. 130-131, p.641-646, 2002.
88. SAKAMOTO, S.; INASAKI, I. Analysis of generation motion for five-axis machining centers. Trans. Jpn. Soc. Mech. Engr. Ser. C 59, n. 561, p. 1553-1559, 1993.
89. LEE, R. S.; SHE, C. H. Developing a postprocessor for three type of five-axis machine tools. International Journal of advanced Manufacturing Technology, v. 13, n. 9, p. 658-665, 1997.
90. SUH, S. H.; LEE, J. J.; KIM, S. K. Multiaxis machine with additional-axis NC system: theory and development. International Journal of advanced Manufacturing Technology, v. 14, n. 12, p. 865-875, 1998
91. KRUTH, J. P.; KELWAIS, P. NC-postprocessing and NC-simulation for five-axis milling operations with automatic collision avoidance. In: INTERNATIONAL MANUFACTURING ENGINEERING COFERENCE, 1996, Storrs. Proceedings... Storrs: IMEC, 1996.
92. STEWART, D. A platform with six degree of freedom. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineering, v.180, n.1, p.371-386, 1965.
93. KHOL, R. Machine tool built from mathematics. American Machinist, v.138, n.10, p. 53-55,1994.
94. HONEGGER, M.; CODOUREY, A.; BURDET, E. Adaptive control of the Hexaglide, a 6 DOF parallel manipulator. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON ROBOTICS AND AUTOMATION, 1997, Albuquerque. Proceeding... Albuquerque: IEEE, 1997. p. 543-548.
95. CHEN, S. L.; LIU, Y, C. Post-processor development for a six degrees-of-freedom parallel-link machine tool. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, v. 18, p. 254-265, 2001.
96. CHANG, T.C. EXPERT PROCESS PLANING FOR MANUFACTURING, ADDISON-WELEY, NEW YORK, 1990.
97. BOHEZ, E. L. J. Five-axis milling machine tool kinematic chain design and analysis. International Journal of Machine Tools and Manufacture, v. 42, n. 4, p. 505-520, 2002.
98. MASCHINENFABRIK BERTHOLD HERMLE AG. Hermle machines description, Catalogo online, Gosheim, 2005. Disponivel em: <http://www.hermle.de/fs_hermle.php?sprache=en&page=151> , acesso: Fev. 2005.
99. LAI, X. –D. et al. Geometrical error analysis and control for 5-axis machining of large sculptured surfaces. The International Journal of Advanced Manufacture Technology, v. 21, p.110-118, 2003.
100. SIEMENS, Tool and mold making SINUMERIK 810D/840D Manual Edition 04/2004, Erlangen, 2004.
132
101. SOUZA, A. F. Contribuições ao fresamento de geometrias complexas aplicando a tecnologia de usinagem com altas velocidades. 171f. 2004. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos, São Carlos.
102. NEUGEBAUER, R.; WEIDLICH, D.; MAHN, U. Modelling of the clamping mark formation in manufacturing processes with extremely high axial forces, International Journal of Machine Tools and Manufacture, v. 45, n. 3, p.279-284, 2005.
103. GOLOGLU, C. Machine capability and fixturing constraints-imposed automatic machining set-ups generation. Journal of Materials Processing Technology, v. 148, p.83-92, 2003.
104. MENASSA, R. J.; DE VRIES, W. R. Fixture design principles for machining systems. In: DORF, R.C.; KUSIAK A. Handbook of design, manufacturing and automation. New York: Wiley, 1994.
105. CHEN, J. H.; HO, S.Y. A novel approach to production planning of flexible manufacturing systems using an efficient multi-objective genetic algorithm. International Journal of Machine Tools and Manufacture, v. 45, p. 949-957, 2005.
106. BOUDILLON, S.; VAZ, A.; GOMES, J. O. Aspectos desconsiderados para o projeto de linhas flexíveis do ponto de vista de usinagem. [S.l.]: Renault do Brasil, 2002. (Relatorio interno)
107. DELCAM. Five-Axis machining for toolmakers. MODERN MACHINE SHOP ONLINE, Artigo online, 2001. Disponível em: <http://www.mmsonline.com/articles/100106.html> Acesso em: 10 Jul. 2004.
108. GOMES, J. O. Características da usinabilidade de aços inoxidáveis austeníticos SAE 304 e SAE 316 com variação dos parâmetros metalúrgicos. 105f. 1996. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis.
109. FERRARESI, D. Fundamentos de usinagem dos metais. 5ª.edição, São Paulo, SP, Editora Blücher, 1977, 751f,
110. GOMES, J. O. Fabricação de superfícies de forma livre por fresamento no aço temperado abnt 420, na liga de alumínio amp8000 e na liga de cobre cu-be. 151f. 2001. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis.
111. STEMMER, C. E. Ferramentas de corte II. Florianópolis: UFSC, 1992.
112. HIBBELER, R. C. Mechanics of materials. Upper Saddle River: Prentice Hall, 1998.
113. KARINO, K. Trouble shooting for cutting. Tokio: Kogyo Chosakai, 1996.
114. TSAO, C.; CHEN, W. Effects of cutting parameters on the scallop size during milling. Process. Materials Processing Technology, v.72, p. 208-213, 1997.
133
115. ASM INTERNATIONAL. Metals Handbook: properties and selection: nonferrous alloys and special-purpose materials. 10th Ed. Metals Park, 1990. v.2
116. SANDVIK COROMANT. Fabricação de moldes e matrizes com a SANDVIK COROMANT. Sanviken, 2002.
117. UGS. Mechanical free form modelling-student guide: plano-Texas. 2003
118. UGS. ISV-Integrated Simulation and Verification. Documentação Unigraphics NX3: plano – Texas. 2003.
FOLHA DE REGISTRO DO DOCUMENTO
1. CLASSIFICAÇÃO/TIPO
TM
2. DATA
05 de julho de 2006
3. DOCUMENTO N°
CTA/ITA-IEM/TM-011/2006
4. N° DE PÁGINAS
133 5. TÍTULO E SUBTÍTULO: Desenvolvimento Integrado CAD/CAM de Componentes para Turbinas a Gás
6. AUTOR(ES):
Alex Sandro de Araújo Silva 7. INSTITUIÇÃO(ÕES)/ÓRGÃO(S) INTERNO(S)/DIVISÃO(ÕES): Instituto Tecnológico de Aeronáutica. Divisão de Engenharia Mecânica-Aeronautica – ITA/IEM
8. PALAVRAS-CHAVE SUGERIDAS PELO AUTOR:
CAD/CAM / Fresamento 5-eixos / Manufatura de Componentes de Turbinas a Gás / Design for 5-Axes Machining 9.PALAVRAS-CHAVE RESULTANTES DE INDEXAÇÃO:
Projeto auxiliado por computador; Manufatura auxiliada por computador; Fresagem (usinagem); Componentes; Turbinas a gás; Engenharia mecânica
10. APRESENTAÇÃO: X Nacional Internacional
ITA, São José dos Campos, 2006, 133 páginas
11. RESUMO:
O trabalho aqui apresentado propõe um método para a utilização da cadeia CAD/CAM no fresamento 5-eixos de componentes de turbinas a gás. O método procura integrar as etapas CAD, CAM do processo de fabricação de componentes de turbinas a gás. O método aborda desde a modelagem dos componentes, evitando algumas características impróprias ao fresamento 5-eixos, passando pela simulação das trajetórias e pós-processamento e por fim fabricação dos componentes.
A partir desse trabalho algumas informações importantes referentes à cadeia CAD/CAM puderam ser levantadas. De maneira geral, a abordagem da cadeia CAD/CAM para o fresamento 5-eixos deve considerar etapas anteriores ao da programação CAM, como a etapa CAD da cadeia, onde as geometrias são definidas, e posteriores, neste caso, simulação das trajetórias de ferramenta programadas e pós-processamento de código NC.
Foram feitas ainda análises relacionadas aos tipos de interpolação que estão disponíveis para o fresamento de geometrias complexas. Essa a análise é também apresentada no trabalho fazendo parte das contribuições que esse trabalho se propõe a dar.
Os resultados por serem extremamente práticos se propõem a serem utilizados de imediato na indústria. Eles vão desde restrições a modelagem de geometrias para o fresamento 5-eixos até informações referentes a uso de interpolações complexas no âmbito de fresamento de superfícies complexas. Procurou-se dar informações pertinentes ao fresamento 5-eixos em todas as etapas da cadeia CAD/CAM para esse processo de fabricação.
12. GRAU DE SIGILO: (X ) OSTENSIVO ( ) RESERVADO ( ) CONFIDENCIAL ( ) SECRETO
![CAD-CAM na Reabilitação Bucal [ago 2010]](https://static.fdocumentos.com/doc/165x107/5571f83b49795991698cf2c6/cad-cam-na-reabilitacao-bucal-ago-2010.jpg)
