DEFINICIONES BASICAS A continuacin se dan las definiciones de los trminos ms utilizados en el presente estudio. Algunas palabras se consideran en idioma ingls en la definicin y tambin a lo largo del documento para conservar la naturaleza de su significado dentro del mismo. Al final del documento se presenta un vocabulario que complementa las definiciones y trminos citados. Reglaje: Conjunto de acciones metdicas (manuales o automatizadas) previas al mecanizado, realizadas para ubicar una pieza en el dispositivo de fijacin de una mquina herramienta. El correcto desarrollo de un reglaje depende directamente de:

Cumplimiento de algunos temas clsicos de estudio en mecanizado y fijaciones

Calidad en el diseo de la fijacin Correcta planeacin de procesos Correcta seleccin y secuenciacin de setups de la pieza durante el

mecanizado El proceso de reglaje de piezas en mecanizado se conoce en ingls como setting up o simplemente setting. Setup: Un setup es un grupo de operaciones de corte que son todas ejecutadas mientras la parte est fija en una posicin particular en la maquina herramienta. Tan pronto como la parte cambia de posicin por modificacin de la sujecin se considera que se ha cambiado a un nuevo setup. La estructura de cada setup depende principalmente de cmo se hayan agrupado las operaciones de corte para obtener la pieza con las especificaciones dadas en el diseo. En la Figura 1 se muestra una pieza que va someterse a 4 operaciones de maquinado usando un escariador. Para poder ejecutar todas las operaciones con la herramienta sealada, los rasgos deben agruparse en 2 setups. El primer setup contiene las operaciones 1, 2 y 3. Para poder realizar la operacin 4, se soltar la pieza de la fijacin y se dispondr en la forma en que el escariador pueda trabajar adecuadamente. Para esto es necesario que haya un segundo Setup.

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Figura 1. Mecanizado de una pieza en dos setups Lead Time: Es el tiempo programado gua de uno o varios procesos de manufactura. Fijacin: Conjunto de dispositivos que localizan y sujetan la pieza durante el proceso de mecanizado. El rol que debe desempear una fijacin en un proceso de manufactura se discrimina en las siguientes tareas:

Restriccin de la pieza, de manera que no pueda desplazarse con respecto a su localizacin inicial dada por las coordenadas de la mquina herramienta.

Restriccin esttica y dinmica, suministrando las fuerzas de sujecin para mantener la pieza en su sitio una vez se ubica en la mquina.

Soporte. Este soporte se da en trminos de la rigidez que debe ofrecer la fijacin a la pieza durante el mecanizado. Adicionalmente, los elementos de la fijacin misma deben presentar buenas caractersticas de rigidez para su soporte.

El diseo y disposicin de la fijacin tiene gran impacto sobre la calidad del producto final, el tiempo del proceso y el costo de manufactura. Localizador: Dispositivos propios de una fijacin necesarios para localizar o posicionar la pieza con precisin y singularidad (unicidad) con respecto al sistema de coordenadas de la mquina. Sujetadores (sujeciones): Dispositivos propios de una fijacin que proveen las fuerzas necesarias para sujetar la pieza una vez se ha localizado. Tales fuerzas deben hacer que la pieza permanezca en equilibrio an cuando sufra las fuerzas de corte. Un esquema de fijacin con todos sus elementos se da en la Figura 2:

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Figura 2. Esquema de una fijacin.

Layout: Cada arreglo o configuracin particular de los dispositivos utilizados en una fijacin dependiendo de las condiciones especficas del setup que se va a mecanizar. En un layout cada dispositivo de la fijacin debe cumplir con funciones especficas determinadas desde la etapa de planeacin de manufactura, como localizacin o sujecin. Puede haber muchos layout adecuados para fijar una pieza, como se muestra en el esquema de la Figura 3:

Figura 3. Dos diferentes layouts para una misma pieza Mecanizado 2D: Mecanizado en el cual las generatrices de las formas en los procesos de corte nacen del movimiento alrededor o a lo largo de 2 ejes. Las generatrices pueden nacer de cualquiera de las diferentes combinaciones de los movimientos de los ejes de giro y desplazamiento de la herramienta. El tipo de formas que se pueden conseguir en mecanizado 2D son superficies cnicas, planas y cilndricas. En el desarrollo de este trabajo solo se consideran operaciones de este tipo, a saber, end milling, side milling y drilling. Las operaciones tipo side milling son generadas por herramientas como fresas laterales. Las operaciones tipo end milling (planeados, bolsillos, cajeras) son generados por herramientas como fresas planas y escariadores. Las operaciones tipo drilling son generadas por brocas.

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Algunas formas y operaciones comunes tipo 2D, con algunas herramientas que los pueden generar, se dan en la Figura 4, en donde se ha resaltado el vector de la direccin de aproximacin de cada herramienta:

Figura 4. Algunas formas y operaciones comunes tipo 2D, con algunas herramientas que los

pueden generar.

Reconocimiento de Rasgos (Feature Recognition FR): Es una poderosa tcnica de manufactura utilizada por los investigadores del rea de manufactura en diferentes etapas de la misma, mediante la cual se asocian la topologa de los volmenes desalojados por la herramienta de corte con las operaciones necesarias para obtenerlos. Esta tcnica de reconocimiento de rasgos es poderosa desde el punto de vista de las facilidades de manipulacin topolgica que ofrece, sobre todo para usarse mediante sistemas modeladores de slidos. Mediante algunos trabajos de enfoque particular, ya se han conseguido generar algoritmos para una programacin y automatizacin de reconocimiento rasgos de maquinado de piezas, no solo en fresado, sino tambin en torneado. Algunos de esos algoritmos se referencian en la bibliografa de este documento. Rasgo: Segn la tcnica de Reconocimiento de Rasgos, un rasgo de maquinado es una porcin de la pieza afectada por el volumen desalojado por un proceso de mecanizado en particular. Un rasgo de maquinado consiste en tres componentes (ver ejemplo Figura 5):

El volumen barrido por la herramienta La direccin de aproximacin de herramienta (y la direccin en la cual la

operacin se desarrolla) El tipo de operacin realizado

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Figura 5. Volumen removido por una broca que da origen a un rasgo de taladrado con su

respectiva direccin de aproximacin de herramienta. En el presente trabajo, teniendo en cuenta que los problemas estudiados son de fresado tipo 2D, los tres tipos de rasgo asociados segn su topologa son los que se muestran en la Figura 6:

Figura 6. Rasgos: a) de fresado lateral, b) de planeado por fresado, c) de taladrado.

Volumen Efectivo y Volumen Accesible de un rasgo: El volumen efectivo de un rasgo es el volumen de material que remueve la herramienta y que modifica efectivamente la geometra de la pieza. El volumen Accesible es el volumen que la herramienta debe recorrer para maquinar el rasgo pero que no remueve material. Los volmenes efectivo y accesible de un rasgo de end milling tipo bolsillo abierto se dan en la Figura 7.

Figura 7. Volumen accesible y removible de un rasgo tipo bolsillo abierto.

El volumen accesible de un rasgo de fresado lateral (side milling) est sealado con valos en la Figura 8. Ntese que para fabricar el rasgo como se ha planteado, la fresa lateral debe barrer obligatoriamente un volumen en el espacio en el cual no se remueve material.

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Figura 8. Volmenes Accesibles de un rasgo de fresado lateral.

Control Numrico CN: Es la tecnologa que se usa para controlar funciones de mquinas herramientas, usando datos numricos que son programados e interpretados por un controlador incluido en la mquina. En CNC o Control Numrico Computarizado, los datos numricos tienen su origen interpretativo en algn software alojado en la unidad de procesamiento de datos de un computador o micro-computador. En un ambiente CNC las mquinas, los controladores y los computadores son capaces de intercambiar datos comunicndose directamente entre el controlador de la mquina y los computadores. Las labores de planeacin de reglaje y posicionamiento de piezas y de planeacin de proceso en general, se pueden realizar con ms fiabilidad debido a la facilidad de programacin de operaciones mecanizado en CNC. ACERCA DEL PROCESS PLANNING

Debido a que algunas de las herramientas que se plantean en este proyecto para solucionar problemas de reglaje y posicionamiento de piezas estn enmarcadas en el Process Planning (o Planeacin de Proceso), se hace una breve descripcin de este mtodo a continuacin.

De acuerdo a SME (Society of Manufacturing Engineers), Process Planning o planeacin de proceso, es la determinacin sistemtica de los mtodos mediante los cuales un producto es manufacturado econmica y competitivamente. La labor del Process Planning es proyectar las diferentes actividades del mecanizado considerndolas como interdependientes.

Las tareas de la planeacin pueden incluir los siguientes pasos:

1) Diseo, anlisis e interpretacin del entorno de manufactura: anlisis de raw material (material en bruto), dimensionamiento geomtrico de piezas o partes, inclusin de tolerancias geomtricas en los diseos, consideraciones de acabado superficial, etc.

2) Seleccin de procesos: identificacin de los procesos de manufactura

requeridos, basndose en los anlisis preliminares.

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3) Mapeo de tolerancias: anlisis de tolerancias y superficies de referencia para reglaje de piezas, con el nimo de enfocar el uso de dimensiones geomtricas de un producto y tolerancias hacia una produccin factible.

4) Seleccin de mquinas: seleccin de mquinas basndose en sus

capacidades y disponibilidades para poder desarrollar los procesos seleccionados.

5) Secuencias de operacin: determinacin del orden lgico de las

operaciones del proceso. 6) Especificacin de herramientas y fijaciones: identificacin de dispositivos

de sujecin para soportar la pieza y las herramientas de corte.

7) Parmetros de corte: observacin del rgimen de corte, clculos de velocidad de corte, avance y profundidad ptimos.

8) Anlisis de ciclos de tiempo: clculo del tiempo total de maquinado y

tiempos muertos (estimacin de Lead times).

9) Documentacin: Se debe organizar un plan y documentarlo para su comunicacin a las reas de manufactura.

Para dar una mejor descripcin de la preparacin de un plan de proceso, se da un ejemplo de manufactura basndose en la Figura 6, mediante el cual los diferentes niveles de decisin hechos en Process Planning del caso particular son ilustrados como sigue: Anlisis preliminar de una parte mecnica: es el primer paso en cualquier planeacin de proceso. Un plan de proceso factible debera ser capaz de definirse teniendo la informacin de los recursos de produccin, pero antes comenzando por una correcta interpretacin del dibujo de la pieza desde una perspectiva geomtrica. La pieza de la Figura 8 contiene un nmero de rasgos los cuales pueden ser producidos mediante procesos bsicos de manufactura. En esta parte se nota ya la inclusin de tcnicas de manufactura poderosas que facilitan el proceso de principio a fin, como el Reconocimiento de Rasgos (Feature Recognition FR), tcnica de la cual se han definido algunos trminos y de la cual se hablar ms adelante debido a su importancia en este trabajo. En el ejemplo, las piezas requeridas se obtendrn a partir raw parts o piezas en bruto de procesos previos de formado tipo laminacin y fundicin, las cuales mediante operaciones de maquinado terminarn siendo las partes requeridas con sus dimensiones finales.

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Figura 9. Pieza ejemplo para anlisis mediante Process Planning1.

Basados en esta informacin preliminar disponible, un planeador de procesos experimentado ya es capaz de esbozar el plan de proceso en bruto para esta parte dada, ya que el material desde la fundicin entregada (segn el diseo de la pieza ejemplo) no requiere procesos especiales de maquinado, la forma general de la parte muestra buena rigidez en sus formas, el nivel requerido de precisin es moderado, de manera que podran utilizarse procesos de maquinado convencionales, el nmero de partes a fabricar no necesita aparentemente especificaciones especiales de fijacin, y las herramientas necesarias son bsicas y comunes para esta parte en procesos de torneado y taladrado. Seleccin de procesos de maquinado y herramientas: constituye una segunda etapa del Process Planning. La Tabla 1, da una descripcin del proceso y las herramientas necesitadas para producir los diferentes rasgos con la precisin y el acabado superficial requerido. Ntese que, al comenzar las etapas de Process Planning los procesos descritos an constituyen operaciones independientes, las cuales son capaces de producir cada rasgo pero no toman en cuenta la interaccin entre rasgos.

PASOS Y HERRAMIENTAS RASGO A MAQUINAR DESBASTE SEMI-ACABADO ACABADO

NUMERO DE HERRAMIENTAS

1 Broca 1

2 Fresa o herramienta para superficies Fresa o

herramienta de superficies

1 o 2

3 Herramienta de abocardado 1

4 Broca Rimador Rimador 3

5 Herramienta de aristas 1

Tabla 1. Seleccin de operaciones y herramientas Agrupacin de operaciones: La siguiente etapa consiste en hacer grupos de setups o arreglos de operacin-posicin de pieza, de manera que se asocien operaciones y posiciones independientes en conjuntos tales que los rasgos puedan ser maquinados precisamente y econmicamente. Para el ejemplo dado, el rasgo 2, 4 y 5 son agrupados en un solo setup por consideraciones de tolerancia ya que en un mismo montaje se pueden ejecutar las tres operaciones por torneado (ver Figura 9), mientras que el 1 y el 3 son agrupados en otro por consideraciones econmicas. Despus de que se han establecido los setups, 1 Tomado de [5] Huang.

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tambin las operaciones internas a cada setup necesitan ser puestas en cierto orden basados en restricciones tcnicas o econmicas. La discusin sobre el estudio de estas restricciones ser llevada en el siguiente captulo de este documento. Para llegar hasta este punto, las mquinas herramientas a ser usadas para cada operacin tambin necesitan ser consideradas. Para la pieza del ejemplo, los rasgos 2, 4 y 5 sern maquinados mediante torneado en un primer setup, y en un siguiente setup se taladrarn los rasgos 1 y 3. Ntese que ya se determina que el agrupamiento de rasgos constituye un paso importante en la planeacin del maquinado de una pieza. Este paso puede solucionarse mediante unos dos primeros criterios para agrupar rasgos: por sus tolerancias y por capacidad y conveniencia de maquina seleccionada.

Figura 10. Agrupacin de las operaciones 2, 4 y 5 en un primer Setup (todos son procesos de

torneado).

Seleccin de referencias para el maquinado: Continuando con las etapas del ejemplo, despus de agrupar apropiadamente los setups (setup es el grupo de operaciones de mecanizado hechas a una pieza mientras se encuentra en una posicin particular fija en la mquina herramienta), es necesario definir la posicin de los dispositivos convenientes para localizar las partes en la maquina herramienta, o en otras palabras para considerar una fijacin (los arreglos y los dispositivos de localizacin y sujecin como tal). Como ya se ha dicho, la tarea de las fijaciones es asegurar la estabilidad de una parte manufacturada durante el proceso de maquinado y as garantizar su precisin. Algunos principios clsicos son aplicados para tomar las decisiones sobre como montar una fijacin. En la pieza dada del ejemplo es aplicado el llamado principio de 3-2-1 o de los 6 puntos segn el cual se restringirn los seis grados de libertad de la pieza poniendo tres puntos (1, 2 y 3) sobre el plano B1, y dos puntos (5, 5) sobre el cilindro B2. El ltimo grado de libertad es restringido por el punto 6 como lo muestra la Figura 11. Un esquema resultante de fijacin para el primer setup tambin se muestra en la figura. Segn el orden cumplido hasta ahora, en esta parte se hace notorio que entre una fijacin y los setups existe una estrecha correlacin, debido a que solo con una buena seleccin de referencias de mecanizado y una buena agrupacin de operacin de procesos, se conocern los setups que deben realizarse sobre la pieza, y se tendr la certeza de cmo va a localizarse y fijarse la pieza en la mquina herramienta.

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Figura 11. Posible esquema de fijacin para la pieza ejemplo2.

Finalmente, los procesos mencionados necesitan ser detallados y archivados en un plan de proceso para el ejemplo dado a fin de enviar toda la informacin al departamento de produccin. En esto consiste el ltimo paso de un plan de proceso: documentacin. Un ejemplo de carta de plan bsico de proceso se da en la Tabla 2.

Trabajo Operacin Descripcin Mquina Herramienta Posicin de la sujecin

Inspeccin de herramienta

Torneado

(operacin inicial)

a Taladrado Sobre B2 (puntos 4,5)

Mordaza # 3 Mordazas Taladro estndar

b Desbaste de cara Sobre B1

(puntos 1,2,3) Herramienta para caras

c Acabado de cara Sujecin # 6 Herramienta para aristas

d Torneado interno Inserto sobre bar borer

e Chamfer Medir la clavija

10

f Boring

Torn

o se

mi-a

utom

tic

o

Acabado superficial estndar (visual)

Tabla 2. Carta de plan bsico de proceso

2 Tomado de [5] Huang.

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PROCESS PLANNING GENERATIVO

Como la generacin de planes de proceso completos es una tarea compleja y requiere de muchos pasos, e incluso puede requerir varias iteraciones, la implementacin de sistemas automatizados de Process Planning capaces de mejorar automticamente la tarea completa es en parte el futuro de la manufactura (Regli-Gupta-Das-Nau [3]).

El Process Planning Generativo es una de las tendencias del planeacin ms estudiadas con fines de automatizacin de la manufactura. Esta tendencia y algunas otras se incluyen en lo que se conoce como CAPP o Computered Aided Process Planning. Hoy en da se han desarrollado proyectos que pretenden automatizar el Process Planning de piezas por mecanizado en el Laboratorio de Mecatrnica (Martinez [32]). Los dos tipos de enfoque de CAPP son el mtodo Variant y el Mtodo Generativo. El Mtodo Variant implica modificacin de un plan de manufactura de una pieza para poder fabricar una pieza similar. El Mtodo Generativo implica generacin de nuevos planes de proceso por medios lgicos de decisin y conocimiento de proceso. El Mtodo Generativo de Process Planning es el nico capaz de desarrollar un plan de proceso desde el diseo de pieza, donde la evaluacin de manufacturabilidad es clave y es ms fuerte, adems, no se mantiene al diseador atado a planes de proceso antiguos y permite desarrollar planes de proceso alternativos para el mismo diseo.

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