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Projeto e Manufatura Integrados por Computador com base em Features

Pepplow, Luiz Amilton, M.Eng. e.mail: pepplow@emc.ufsc.br Engenheiro Eletricista e de Segurança – Doutorando no Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina.

RESUMO

Este artigo de revisão conceitual tem por objetivo apresentar conceitos básicos para a compreensão da aplicação de Sistemas de Manufatura Integrados por Computador (SMIC) servindo-se de Sistemas Flexíveis de Manufatura (FMS) utilizando robôs industriais, com o emprego do conceito de Planejamento de Processos Auxiliados por Computador (CAPP) com a aplicação de Features. O tema reveste-se de relevância por discutir a aplicação de Sistemas CAD/CAM, Projeto Auxiliado por Computador e Manufatura Auxiliada por Computador na geração de Features de Projeto e sua aplicação na geração de Features de Manufatura e aplicabilidade em CAPP. O texto aborda conceitos de: Sistemas CAD/CAM, sua aplicabilidade e integração com sistemas de manufatura, FMS, SMIC, Robôs industriais, Máquina-Ferramenta NC, CAPP e Features. Este artigo não tem a pretensão de ser um referencial completo, mas constituir-se de material de apoio para discussão sobre os temas abordados.

Palavras chave: CAD/CAM; Projeto e Manufatura Integrados por Computador; CAPP

1 INTRODUÇÃO

Desde a revolução industrial ocorrida no século XIX, houve mudanças consideráveis nos poderes físicos do homem. Uma nova revolução é presenciada com computadores oferecendo otimizações para as capacidades mentais, em face do alto desempenho em grandes números de cálculos e sua utilização na engenharia, particularmente no desenho, pelo fato destes profissionais comumente se comunicarem através de informações gráficas normalmente padronizadas.

De acordo com Foley (1996 apud Toledo, 2000, p.33) “a computação gráfica cresceu para incluir: a criação, o armazenamento e a manipulação de modelos e imagens de objetos, preocupando-se com a síntese da imagem destes objetos imaginários ou reais a partir de modelos baseados em computador”. Na mesma proporção em que a capacidade de processamento e armazenamento dos computadores aumenta, diminuem os custos destes equipamentos e dos sistemas integrados de projeto e desenho. Os efeitos mais benéficos destes sistemas vêm de encontro aos efeitos combinados do aumento de custo de materiais, da energia e de outros custos gerais que estão afetando diretamente a indústria.

O desenho de um projeto cobre uma grande variedade de atividades incluindo a geração de idéias, a criação de formas geométricas, os cálculos de desempenho e o processo de fabricação. O desenho para a fabricação tem se tornado mais importante na medida em que os computadores estão encontrando

maior aplicabilidade nas instalações na forma de ferramentas de máquinas do controle numérico, além das possibilidades de modelagem e simulação de sistemas de engenharia, processando modelos matemáticos e analógicos.

De acordo com Toledo (2000, p.1) “a utilização através da aplicação de sistemas mecânicos, eletrônicos e computacionais, para operar e controlar a produção, de modo a realizarem os processos, as montagens, as manipulações de materiais e as inspeções das atividades, com pequena ou nenhuma participação humana, tornaram a automação da produção industrial mais do que realidade”. Pode-se afirmar que atualmente a integração dos sistemas desde o projeto até a manufatura é uma exigência de um mercado cada vez mais globalizado e competitivo, onde as empresas buscam maior produtividade em suas práticas industriais. No entendimento de Wang, Wysk e Chang (1998, p.3) “as novas tecnologias baseadas em computador para projeto e fabricação, tem nos habilitado a produzir pequenos lotes de produtos com baixo custo. Muitas funções de tomada de decisão humana são substituídos ou auxiliados por computadores. Deste modo, eles favorecem incrementos na produtividade humana. O desenvolvimento da Inteligência Artificial (IA) e Sistemas Especialistas suprem com inteligência limitada os sistemas de manufatura. Computadores além de substituir o trabalho humano, podem também substituir algum tipo de trabalho mental”.

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2 CONCEITOS

2.1 Projeto Auxiliado por Computador A utilização de ferramentas de CAD tem se

constituído em importante aliada dos projetistas, desde o projeto conceitual ao produto final, não se limitando apenas a criação de figuras geométricas 2D e 3D, mas gerando entidades geométricas significativas que fornecem características construtivas que podem ser utilizadas em sistemas integrados CAD/CAM que suportam aplicações tanto de projeto como de fabricação.

De acordo com Besant (1986, p. 21) “o projeto auxiliado por computador (CAD) é uma técnica na qual o homem e a máquina se misturam formando um grupo de resolução de problemas, agrupando intimamente as melhores características de cada um. O resultado desta combinação dá mais certo do que se tivéssemos o homem ou a máquina, sozinhos, e utilizando uma abordagem de múltipla disciplina temos a vantagem de um trabalho de grupo integrado”. O quadro 1 apresenta comparações entre as capacidades do homem e do computador em várias tarefas, demonstrando que na maioria das vezes os dois são complementares.

Tarefas Homem Computador

1 Módulo de raciocínio e lógica Intuitivo por experiência, imaginação e julgamento.

Sistemático e estilizado. Pode ser aprimorado com a utilização de Sistemas Especialistas.

2 Nível de inteligência. Aprende rapidamente, mas é seqüencial. Inteligência não-confiável.

Pouca capacidade de aprendizado, mas nível de inteligência confiável.

3 Método de entrada de informação

Grandes quantidades de entrada de uma só vez, através dos sentidos humanos.

Entrada seqüencial estilizada.

4 Método de saída de informação.

Saída seqüencial lento através da fala ou ações manuais.

Saída seqüencial estilizada rápida pelo equivalente às ações manuais.

5 Organização da informação. Informal e intuitiva. Formal e detalhada.

6 Esforço envolvido na organização da informação. Pouco. Muito.

7 Armazenamento de informação detalhada.

Pouca capacidade, altamente dependente do tempo.

Grande capacidade, independente do tempo.

8 Tolerância para trabalhos simples e repetitivos. Pouca. Excelente.

9 Capacidade para extrair informações significativas. Boa. Ruim.

10 Produção de erros. Freqüente. Rara.

11 Tolerância de informações errôneas. Boa correção intuitiva de erros. Altamente intolerante.

12 Métodos para detecção de erros. Intuitivo. Sistemático.

13 Método para a edição de informações. Fácil e instantâneo. Difícil e envolvido.

14 Capacidade de análise. Boa análise intuitiva, capacidade de análise numérica ruim.

Nenhuma análise intuitiva, boa capacidade de análise numérica.

Quadro 1 - Características do Homem e do Computador. Adaptado de Besant, C. B., CAD/CAM Projeto e fabricação com o auxílio do computador. 2. ed. Rio de Janeiro. Campus, 1986, p. 22.

Segundo Besant (1986), a utilização da experiência combinada com o julgamento é o ingrediente necessário para o processo de desenho. A construção do projeto deve então ser controlada pelo projetista. O computador não pode adaptar-se a nenhum aprendizado significativo. Isto tem que ser deixado para o projetista, que tem condições de aprender através dos projetos anteriores. Muitas vezes, as informações são necessárias a partir da especificação, antes que o estágio de solução do projeto possa

prosseguir. Identicamente, quando a solução do projeto se completa, a informação deve, por sua vez, ser retirada para permitir que o projeto possa ser fabricado. A Figura 1 mostra a aplicação deste processo de informação.

Como complemento da análise dos sistemas CAD pode-se dizer que um computador é bem aplicado no desempenho dos cálculos analíticos de uma natureza de análise que são considerados demorados e tediosos pelo homem.

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Figura 1 - O processo de desenho utilizando as técnicas

CAD. Adaptado de Besant, C. B., CAD/CAM Projeto e fabricação com o auxílio do computador. 2. ed. Rio de Janeiro. Campus, 1986, p. 23

Especificação Tanto quanto possível, a análise numérica

envolvida no projeto deve ser feita pelo computador, deixando o projetista livre para tomar decisões baseadas nos resultados de sua própria análise intuitiva. Observa-se no Quadro 2 as diferentes funções do homem e do computador.

Homem

Computador Esboços Cálculos

Informação sobre a fabricação

Funções do computador Atividades do projetista

1 Servir como extensão da memória do projetista. Controle do processo de projeto na distribuição de informações.

2 Melhorar o poder analítico e lógico do projetista. A aplicação da criatividade, da perspicácia e da experiência.

3 Liberar o analista das tarefas de rotinas repetitivas. A organização da informação do projeto. Quadro 2 – Características do Homem e do Computador. Adaptado de Besant, C. B., CAD/CAM Projeto e fabricação com o auxílio do computador. 2. ed. Rio de Janeiro. Campus, 1986.

2.2 Fabricação Auxiliada por Computador (CAM)

Segundo Besant (1986) o termo Fabricação Auxiliada por Computador é usado para procedimentos de fabricação que utilizam computadores para auxiliar o planejamento e na produção de processo de fabricação, desde o controle de inventário à programação das ferramentas da máquina. A união entre o projeto e fabricação, foi possível pela adoção de sistemas integrados CAD/CAM. Estes podem ser definidos como sendo sistemas, onde a ligação do desenho e a fabricação é obtida através do uso de um computador.

Anterior a integração dos sistemas, as operações tinham caráter distintos, onde os desenhos provenientes dos sistemas CAD eram então convertidos para um sistema CAM para aplicação à manufatura. Segundo Besant (1986), um exemplo desta duplicação de esforços surgiu quando as ferramentas de máquinas de controle numérico (NC) foram introduzidas. Os programas de computadores eram especificamente produzidos para os departamentos de fabricação para a preparação de fitas de controle dessas ferramentas de máquinas NC.

O primeiro programa deste tipo foi o Automatically Programmed Tools (APT). Conceitualmente o APT é um programa de computador e uma linguagem de programação. Ele permite que o usuário produza contornos tridimensionais complexos de movimento de ferramenta em relação ao projeto complexo tridimensional. O usuário do APT define a geometria

da peça de trabalho e os movimentos da ferramenta, utilizando instruções simples semelhantes à língua inglesa. O APT pode ser utilizado em controles de formas simples e complexas.

O processador APT é um vasto programa, normalmente residente em uma unidade de armazenamento que é executada na maioria das vezes em um computador de grande capacidade. Ele aceita programas de etapas APT e produz uma saída que é chamada de dados da posição de corte (cutter location data - CLDATA). Estes dados são normalmente passados para um pós-processador APT que produz uma fita de controle numérico para uma ferramenta da máquina específica. Este sistema se tornou um padrão mundial para as máquinas NC.

2.3 Sistemas CAD/CAM Na literatura pesquisada pouco se encontrou sobre

as definições e aplicações de sistemas CAM como um item em separado. O que mais se aplica e discute é a utilização e implementação de sistemas integrados de CAD/CAM. O CAD/CAM pode resultar no fim do trabalho demorado feito pelos homens e é a rota para um sistema mais produtivo, mais criativo e mais facilmente gerenciável de fabricação.

O conceito de tais sistemas é baseado na utilização de informações de dados do processo de CAD diretamente nos procedimentos CAM, evitando a geração independente de dados de programas de computadores na área de fabricação. Portanto, as informações comuns para um grande número de programas são geralmente armazenadas em unidades

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de armazenamento do computador sempre referidas como um banco de dados. Esse banco de dados de um sistema CAD/CAM é ilustrado na Figura 2.

O compartilhamento de informações essenciais com outros departamentos será rápido, mais preciso e até certo ponto, automático. Ainda poderá haver uma fonte comum de informações sobre a fabricação (o banco de dados) que pode ser mantido e atualizado com relativa facilidade e rapidez, havendo melhora nas comunicações.

As várias partes destes sistemas se ajustam em três áreas gerais: projeto/desenho, planejamento /escalonamento e fabricação/operação. Há ligações destas com o Marketing, a contabilidade e outras atividades auxiliares dentro de uma empresa. Os atuais sistemas produtivos mais eficientes têm investido um maior tempo na fase de projeto do produto em relação ao tempo utilizado na fabricação. Em geral o tempo de produção de uma peça representa algo em torno de 5% do ciclo de fabricação na máquina, sendo o tempo restante investido na instalação (transporte da peça entre estações de trabalho).

Por esta razão, sistemas CAD/CAM e produtividade estão intimamente ligados..

2.4 Conceito de Features Uma alternativa para aumentar a produtividade

industrial, é a aplicação e integração de técnicas eficientes de projeto e fabricação, transferindo-se entidades significativas (matemáticas, geométricas e de detalhes de projeto) do módulo CAD, entre os diversos módulos que podem ser aplicados, como CAE, CAM, CAPP, dentre outros, viabilizando ainda a realimentação (feedback) destes para o sistema (módulo) CAD.

Pesquisas iniciadas em 1976, em Cambridge, utilizaram features para automatizar a geração de programas NC com base em desenhos em CAD. Segundo Shah, et al (1990), um conceito para a entidade features, no caso de forma, como elementos físicos de uma peça que podem ser identificados por uma forma e por alguns atributos. Outras definições seguem no Quadro 01, apresentadas por Álvares (2001).

Figura 2 - Divisão geral das tarefas em um sistema integrado CAD/CAM de engenharia mecânica. Adaptado de Besant, C. B., CAD/CAM Projeto e fabricação com o auxílio do computador. 2. ed. Rio de Janeiro. Campus, 1986, p. 179.

CAD Programação de etapas NC

CAM

Inspeção

Controle de inventário

Bancos de

dados comum

Desenho de ferramentas e acessórios

Criação de dados e desenhos

Representação visual de gráficos

Desenho automático

Escalonamento Análise do desenho Custos

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Autor Descrição:

Mayer et al (1990)

Tipo de Feature: De forma De tolerância De material Funcional Montagem

Entidade relacionada com: Geometria e topologia de uma peça. Desvios aceitáveis nas dimensões de uma peça. Propriedades mecânicas de uma equipe. Funcionalidade da peça. Operações de montagem.

Jasthi et al (1994) Forma geométrica definida por um conjunto de parâmetros que tem significado especial para engenheiros de projeto e fabricação.

Irani et al (1995) Do ponto de vista do planejamento de processo, pode ser definida como uma

modificação na forma, no acabamento superficial ou nas dimensões de uma peça, produzida por um determinado conjunto de operações.

Erve (1998) Features de forma são tratadas como características de uma determinada peça, com

uma forma geométrica definida, que podem ser utilizadas para a especificação de processos de usinagem, fixação e medição.

Solomons et al (1993)

Um conjunto de informações referentes a forma assim como outros atributos de uma peça, de tal forma que este conjunto possa ser manipulado em projeto, manufatura e montagem. Uma forma geométrica ou entidade cuja presença ou dimensões são requeridas para realização de pelo menos uma das atividades de um sistema CIM.

Quadro 3 – Características do Homem e do Computador. Adaptado de Álvares, Alberto José

Para identificar a importância do estudo de features, na Universidade Federal de Santa Catarina, Cunha e Dias (2002) apresentaram um estudo de features baseada na técnica de evolução de base de dados no processo de projeto, onde propõe o projeto de features como unidade de informação, os quais podem transferir e compartilhar informações entre as diferentes fases do projeto.

Álvares (2001, p.59) complementa; “busca-se uma associação entre feature e forma geométrica. Isto se dá porque grande parte das aplicações que utilizam features são voltadas para a área de planejamento de processos, onde a forma geométrica é essencial, e o termo feature é utilizado para se referir a feature de forma. Para que features possam ser utilizadas com elemento de ligação entre as atividades do ciclo produtivo devem ser capazes de armazenar informações geométricas (forma e dimensão) e outros tipos de informações que sejam necessárias para a realização de alguma etapa do ciclo produtivo”.

Dias (2005, p.1) apresentou uma definição de feature no contexto de Modelamento. É comum pensar em forma geométrica para o modelamento e encorpamento do projeto. No entanto, a forma geométrica é sempre definida num nível semântico muito baixo, ou seja ´e definida em termos de vértices, curvas e faces. No processo de projeto é comum usar um nível semântico mais alto. Os elementos geométricos devem ser definidos através de uma parametrização que leve ao entendimento imediato do que foi declarado através

dos elementos geométricos parametrizados. Isso é denominado de “Features”. Diz então, que uma peça é uma seqüência de features geometricamente definida, ou seja, formas geométricas que possam ser descritas parametricamente. As “features” são criadas através de relacionamentos geométricos observáveis na forma da peça ou do produto, de maneira que elas podem ser referenciadas e associadas as várias ferramentas usadas durante todo o processo de projeto e manufatura da peça e produto.

As definições de features apresentadas não constituem o significado completo do termo, mas representam uma terminologia usual no desenvolvimento da interatividade entre as práticas de projeto de produto e manufatura. A tecnologia em features, segundo Salomons (1995) ainda está na sua infância, sendo pesquisas desenvolvidas nas áreas:

• representação de features, definidas em sua forma e significado de engenharia;

• definição de features quanto a atributos geométricos e tecnológicos;

• features e restrições de modo a definir restrições impostas sobre a peça;

• validação de features definindo condições que devem ser satisfeitas, por exemplo as relações entre features negativa e positiva em manufatura;

• padronização para facilitar o acompanhamento do ciclo de vida do produto de acordo com os

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estudos da norma STEP através de seus protocolos;

• features e linguagens, para representar e definir features.

2.5 Controle e Planejamento de Processos

Após o estabelecimento de um banco de dados das informações de fabricação, a construção de um sistema integrado CAD/CAM permitirá a integração das várias funções que foram computadorizadas,

envolvendo em um primeiro estágio o desenho do produto (desenho geral e processo de fabricação), passando-se então para o estágio de planejamento detalhado de fabricação. O planejamento de processos refere-se à formação de uma definição destas fases para produzir uma peça acabada.

Com o advento do computador para o planejamento e controle das operações da manufatura, vários novos termos foram criados. Os mais importantes são os ilustrados no Quadro 4

Quadro 4 – Termos utilizados em controle de operações de manufatura Fonte: Adaptado de Ferreira, 2005

Planejamento de processos Envolve a tradução de dados para instruções de

trabalho visando produzir uma peça ou um produto. O processista utiliza informações apresentadas no desenho de engenharia e na lista de materiais para elaborar um plano executável. O planejamento de processos é ainda preparado manualmente na maioria das indústrias, podendo este conter detalhes complicados ou simples. O advento dos computadores permitiu automatizar a maioria dos passos deste planejamento, concebendo-se os primeiros sistemas de Controle Automatizado e Planejamento de Processos – CAPP. Resumidamente, o planejamento de processos inclui a seleção de materiais, de operações, seleção de máquinas, seqüenciamento de operações, seleção de ferramentas e dispositivos de fixação. Diversos fatores característicos do produto influenciam no planejamento, dentre estes a forma geométrica, suas tolerâncias, acabamento superficial, tamanho, tipo de material, quantidade e o próprio sistema de manufatura.

Dois tipos de abordagem são aplicados em CAPP, denominados variante e genareativa.

A abordagem variante, (novos planos baseados em planos antigos) utiliza a classificação e codificação das

peças, muito útil em casos onde existem similaridades entre os produtos. Nessa emprega-se a padronização do planejamento de processo, onde modelos não-parametrizados do produto permitem que o usuário introduza novos parâmetros para descrição da peça.

A abordagem generativa (mais complexa que a variante) não emprega padronização, portanto mais flexível e potencialmente mais útil. Uma nova peça representa toda uma estruturação de dados de geometria e parâmetros. De acordo com Ferreira (2005, p.111), “Pode-se dizer que ainda não exista um sistema CAPP generativo efetivo. Se uma família de peças possui elementos de forma (features) comuns, então é freqüentemente possível descrever macros para o planejamento desses elementos”.

De acordo com Ferreira (2005), a maioria dos sistemas CAPP não são generativos. Dentre os generativos, alguns utilizam os sistemas CAD como base para o planejamento. Contudo, o gargalo existente na geração automática do plano de processo é a questão do reconhecimento de formas e seu mapeamento em funções que podem originar operações de usinagem.

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Aplicação de features no planejamento de processos

De modo efetivo, a utilização de features é elemento essencial para esses sistemas, pois emprega o conceito de feature: é um elemento geométrico que contém informações importantes para o projeto e manufatura de uma peça (p. ex. furo, eixo, etc). Esta abordagem sugere que se utilize o conceito de projeto por feature, onde se requer que estas sejam simbolicamente projetadas na peça de forma que a peça “se lembre” que ela possui as features.

Descreve Álvares (2001, p. 59) Quando se utiliza o computador para a geração de planos de processo, a utilização da tecnologia de features facilita a análise da peça (Salomons, 1995). Sendo assim, é interessante que os dados manipulados por um sistema CAPP estejam na forma de features de manufatura e associados a estas, no caso de processos de fabricação com remoção de material temos a features de usinagem (parte ou porção da peça afetada pela operação de usinagem).

Pode-se compreender que para o emprego em CAPP, para se fazer a preparação dos dados de um produto, utiliza-se o mapeamento de features de projeto em features de manufatura. Esta descrição busca descrever a importância da utilização de features desde o início do desenvolvimento de projeto de produtos com o auxílio de sistemas CAD e implementação em sistemas CAM de auxílio à geração de programas NC.

2.6 Controles Numéricos NC e máquinas-ferramenta NC

Segundo Besant (1986), o início do processo de CAD/CAM pode ser encontrado em controles numéricos (NC). O programa de etapas NC era um núcleo óbvio de instrução de um arquivo de dados de fabricação, o banco de dados, o qual proporciona um controle flexível da ferramenta de máquina individual. O CAD/CAM pode englobar 100% do processo de fabricação. Para Besant (1986), “o que o controle numérico fez para a produtividade da ferramenta da máquina individual CAD/CAM pode fazer para toda a instalção da máquina ou para toda a unidade de produção”.

O controle numérico é uma forma de automação onde o equipamento é controlado através de um programa baseado em letras, números e outros símbolos. Assim sendo, o equipamento adquire certa independência do operador, não dependendo, portanto, da habilidade deste e nem sequer da sua atenção. 3

Nas primeiras máquinas ferramentas dotadas de unidades de controle numérico, o programa era implementado externamente, e devia ser transferido para o controlador mediante algum suporte físico. As correções geométricas devidas a dimensões das

ferramentas, tinham que ser previstas antecipadamente durante a programação e o operador deveria montar as ferramentas segundo as considerações efetuadas.

A programação NC é essencialmente uma questão de codificar as instruções de ferramenta de máquina derivadas da matemática e executar os cálculos matemáticos rapidamente, fato este auxiliado diretamente pelo computador. Com a introdução dos sistemas APT, a geometria das peças poderia ser especificada juntamente com os dados de operação relevantes para permitir a geração de dados (instruções) para a ferramenta da máquina.

O desenvolvimento da máquina de controle numérico (NC) na década de 50 permitiu o controle programável da posição da ferramenta em relação à peça. No fim da década de 60 modificadores automáticos de ferramentas foram adicionados à máquina NC, e o centro de usinagem foi desenvolvido. Computadores foram adicionados, e agora a máquina-ferramenta CNC está disponível para todos os fabricantes. Veja a Figura 4 para um exemplo de uma máquina CNC.

2.7 Sistemas de manufatura De acordo com Ferreira (2005, p. 27) a palavra

sistema é usada para definir de forma abstrata um agrupamento relativamente complexo de elementos físicos caracterizados por parâmetros mensuráveis (Rubinstein, 1975), e tal definição é bem apropriada para sistemas de manufatura. Os elementos físicos importantes para todos os sistemas de manufatura são pessoas, processos e equipamentos de manuseio de materiais. Matéria-prima e produtos são entradas, materiais intermediários e saídas do sistema. O sistema de manufatura contém e serve o chão de fábrica. As funções de controle de materiais são críticas para o desempenho do chão de fábrica.

Um sistema de manufatura consiste de funções que são interligadas por um sistema complexo de comunicação, muitas vezes controlado por computador. O computador dá suporte ao planejamento estratégico e tecnológico, planejamento e agendamento organizacional, controle da manufatura e funções de monitoramento e contabilidade. Neste sistema, o fluxo de informações, de recursos e de materiais tem que ser controlado de uma maneira precisa para servir o mercado consumidor com um produto de alta qualidade e assegurar a saúde financeira da empresa.

Alguns dos parâmetros mensuráveis mais comuns para um sistema de manufatura são mostrados na Figura 3. Estes parâmetros devem ser usados como medidas de eficiência de um SIM. (Sistema Integrado de Manufatura).

Sistemas flexíveis de manufatura (FMS); Produtos fabricados para satisfazer demandas de

uma economia livre e dos mercados consumidores em

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massa de hoje, precisam ter mudanças em seu projeto visando melhorar seu desempenho, bem como, seu estilo. Portanto, sistemas de automação rígidos precisam tornar-se o mais flexível possível ao mesmo tempo em que retêm a habilidade de produzir em massa. Este reconhecimento levou a uma combinação da linha transfer com máquinas NC, nascendo assim o sistema flexível de manufatura (FMS). Os componentes primários de um FMS são a máquina NC, um sistema de manuseio de materiais, ferramentas, dispositivos de movimentação e fixação de peças (pallets), e redes de computadores.

O FMS representa a filosofia da supermáquina por excelência. Fundamentalmente, pretende-se combinar a flexibilidade com produtividade. Os dispositivos de fixação são caros e complexos. O computador que controla o FMS gerenciar todos os elementos do sistema, por exemplo: manter a biblioteca de programas NC e carregá-los nas máquinas, manusear o agendamento do FMS, rastrear a manutenção das ferramentas, rastrear o desempenho do sistema, e imprimir os relatórios de gerenciamento. Não há nenhuma surpresa no fato de que freqüentemente o software de FMS’s é o fator que mais limita tais sistemas.

Elementos físicos: Máquinas-ferramenta para processamento; Ferramental; Equipamentos para o manuseio de materiais; Pessoas (consumidores internos)

Parâmetros mensuráveis do sistema: Tempo de produção; Taxa de produção; Estoque intermediário; % de defeitos; % de entregas no tempo certo; Volumes de produção diários/semanais/mensais Custo total ou custo unitário

Figura 3 - Definição de um sistema de manufatura com suas entradas e saídas Adaptado de Ferreira, 2005

Células de Manufatura Segundo Ferreira (2005) nas células de

manufatura, as operações e processos são agrupados de acordo com a seqüência de manufatura que é necessária para fabricar um grupo de produtos projetado para flexibilidade. A célula é freqüentemente configurada possibilitando os trabalhadores a mover de máquina para máquina, carregando e descarregando as peças. As máquinas na célula são normalmente todas de ciclo único, de forma que elas possam completar o ciclo de usinagem sem supervisão humana, desligando-se automaticamente quando o ciclo é terminado.

A célula normalmente inclui todo o processamento necessário para uma peça ou subconjunto completo. Células são tipicamente manuais, mas células automáticas estão começando a emergir com um robô substituindo o trabalhador. Um projeto de uma célula robotizada é mostrado na Figura 4 com um robô e três máquinas CNC. Para a célula operar de modo autônomo, as máquinas devem possuir capacidade de controle adaptativo.

Flexibilidade, de acordo com Ferreira (2005) é uma característica chave de sistemas de manufatura celular (CMS). O sistema deve reagir a mudanças na demanda do consumidor e a mudanças no projeto do produto. Isto torna a fábrica muito orientada para o produto.

Famílias de peças com projetos similares, dispositivos de fixação flexíveis, e mudanças de ferramentas e máquinas programáveis permitem mudanças rápidas de uma peça para outra. Mudança rápida significa um setup rápido e “num toque”, freqüentemente como acender uma lâmpada. Uma redução significativa de estoque entre as células é possível, e o nível de estoque pode ser controlado diretamente. A qualidade é controlada dentro da célula, e os equipamentos dentro da célula são mantidos rotineiramente pelo trabalhador.

Talvez o fator mais importante neste sistema é que o projetista do produto pode facilmente ver como as peças são fabricadas na célula, pois todos os processos são realizados juntos. Como técnicas de controle de qualidade são também integradas às células, o projetista sabe exatamente a capacidade da célula (isto é, a precisão das peças feitas pela célula comparada com as especificações). O projetista pode facilmente configurar os projetos futuros a serem feitos na célula. Isto é verdadeiramente o projeto para a manufatura.

A Figura 4 resume a discussão sobre sistemas de manufatura através da comparação entre sistemas diferentes, baseado nas suas taxas de produção e flexibilidade, isto é, o número de peças diferentes que o sistema pode manusear.

Segundo Ferreira (2005), para células robotizadas, o robô tipicamente carrega e descarrega peças de uma das cinco máquinas-ferramenta CNC, mas este número pode ser aumentado se o robô torna-se móvel. Um

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centro de usinagem representa uma célula com uma máquina, porém é flexível como uma célula composta de máquinas simples porque a sobreposição de tempos de usinagem é eliminada. Layout celulares facilitam a integração de funções críticas da produção, ao mesmo

tempo em que se mantém a flexibilidade ao produzir-se produtos de qualidade superior. As células fornecem a melhoria e o enriquecimento da tarefa para o trabalhador

Figura 4 - Célula robotizada com máquinas-ferramenta CNC, um robô para manuseio de materiais, e decouplers (desacopladores) para flexibilidade e capacidade.

Fonte: Ferreira (2005)

Figura 5 – Comparação de produtividade entre diferentes tipos de sistemas de manufatura, com células

Fonte: Ferreira (2005)

2.8 Robôs industriais e a automação da manufatura

De acordo com a RIA - Robotic Industries Association, um robô é um manipulador reprogramável, multifuncional, projetado para mover materiais, peças, ferramentas ou outros dispositivos especiais para execução de uma variedade de tarefas. As tarefas são executadas de acordo com comandos pré-estabelecidos de movimento e de ações através de procedimentos de programação. Tais procedimentos estão ligados ao fornecimento de dados necessários para descrever o ciclo de trabalho do robô para execução de uma tarefa desejada.

Segundo Groover (apud Toledo 2000), “o método de manufatura de um produto é uma função direta do seu projeto, onde se estabelece a ligação direta entre estes pela interface dos sistemas CAD e CAM”. Deste modo, Toledo (2000, p. 61) entende que a utilização dos sistemas CAD/CAM deve ser considerada importante na robótica. “As diversas tarefas que são ou

serão automatizadas através do uso dos robôs industriais como a pintura, a soldagem, o transporte de materiais e até mesmo as atividades de montagem, podem se beneficiar destes sistemas”.

Para Toledo (2000, p.71) “os sistemas CAD/CAM, embora não sejam projetados especificamente para os usuários de robôs, podem oferecer soluções para os problemas da programação de robôs fora de linha, com várias vantagens. Um banco de dados geométrico, que define as configurações de robô, pode ser gerado rapidamente, e ser facilmente modificado”. A geração de trajetória de um manipulador consiste no estudo de métodos computacionais para encontrar uma trajetória que represente o caminho desejado a ser descrito pelo efetuador final para execução de uma tarefa.

Segundo Soland (apud Toledo 2000, p.79), “um sistema CAD/CAM pode ser uma ferramenta valiosa. O projetista também deve estar familiarizado com o processo específico em que o robô será usado, isto é, necessita conhecer quais as velocidades e torques permitidos, velocidades de corte, etc. Sem tal

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informação, a simulação em um sistema de CAD/CAM pode ser inútil”.

Parente (apud Toledo 2000, p. 68), destaca que “O sistema CAD permite que os objetos, ou como é o caso mais freqüente, o robô em relação aos objetos, seja posicionado como uma função de acessibilidade desses objetos”.

Os sistemas CAD/CAM podem gerar dados geométricos com significado de engenharia, que

podem ser armazenados em bancos de dados apropriados, para que em momento posterior estes possam ser utilizados na programação de robôs, aplicando a geometria das peças e à partir destas encontrar as curvas que definirão a trajetória do movimento do manipulo dos robôs. O trabalho desenvolvido por Toledo (2000) avalia com muita riqueza de informações esta aplicação.

Figura 6 – Diagrama representativo dos sistemas Robóticos Industriais Fonte: Adaptado de Toledon (2000)

2.9 Sistemas de manufatura integrados por computador (CIMS);

De acordo com Slack (1997), o FMS integra atividades de manufatura. Sistemas de contorno utilizam o computador, tecnologias de informação que processam dados e usam instruções idênticas ao FMS. Ao serem integrados com as tecnologias de processamento de materiais, tem-se o monitoramento

baseado em computador e controle de todos os aspectos do processo de manufatura, por intermédio de um banco de dados comum que se comunica através de alguma forma de rede de computador. Em resumo, o CIM se utiliza de tecnologias básicas, que ajudam a projetar produtos, controlar máquinas que conformam materiais, transportar materiais e gerenciar alguns dos aspectos operacionais do processo de manufatura. A Figura 7 demonstra esta aplicação.

Figura 7 – Diagrama representativo de integração de um CIM

Fonte: Adaptado de Toledo (2000)

2.10 Integração de projeto e manufatura por computador com base em Features

Em um sistema de produção integrado, o modelo do produto definido no módulo CAD, deve estar disponível para outros módulos (CAE, CAM, CAPP, CAQ, etc) para que estes sejam capazes de realizar

funções, assim como estes módulos devem ser capazes de enviar informações em sentido inverso para o CAD, afim de que alterações que sejam necessárias na peça possam ser efetuadas ainda na etapa de projeto. Este procedimento pode ser obtido com a utilização de features com base de informações de modelagem do produto.

Para a geração de um plano de processo, é necessário que uma análise detalhada da peça seja empreendida. Quando se deseja utilizar o computador

Projeto Controle Manuseio Gerenciamento

CAD CAM AGV, Robôs Carregamento Programação Monitoração

Integrados Integrados

CAD/CAM FMS

Integrados

CIM

Planejamento de tarefa

Programa Controlador Dispositivo Mecânico

Comando Realização da tarefa Realimentação

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para a geração de planos de processo, a tecnologia de features facilita a análise da peça (Salomons, 1995). Deste modo, é interessante que os dados manipulados por um sistema CAPP estejam na forma de features de manufatura. Associado as features de manufatura no caso de processos de fabricação com remoção de material tem-se as features de usinagem (porção da peça ou parte da peça afetada pela operação de usinagem), composta por features volumétricas e de superfície.

Para o reconhecimento de features, a peça criada no CAD é representada em termos de um modelo sólido. As features de manufatura são identificadas com base neste modelo sólido, de forma automática ou de forma interativa. Dentre as técnicas mais comumente utilizadas citam-se: método de seção; métodos baseados no contorno; decomposição celular. De acordo com Álvares (2001), detalhes destas abordagens podem ser encontrados em Henderson et al (1994), Kim (1994) e Sakuri e Chin (1994), Ferreira (1990), Abdouo e Cheng (1993).

No mapeamento de features, uma biblioteca de features de projeto ou de maufatura é colocada à disposição do projetista, que cria a peça através de instanciação das features presentes nesta biblioteca. Desta forma pode-se distinguir duas categorias de sistemas de projetos baseados em features, sendo

projeto com features de forma e com features de manufatura. HAN (1996)

O emprego de features em CAPP é uma linha de pesquisa relativamente recente. Para que o sistema possa identificar as características da peça, é necessário que se defina uma forma eficiente de armazenamento de informações tanto geométricas quanto tecnológicas e de seu envio do CAD para o CAPP. De modo geral pode-se definir que o envio de informações, ou comunicação entre o usuário e o sistema de fabricação é efetuado através de um desenho onde são definidas todas as características funcionais da peça (desenho do projeto). Desta forma a proposta é que todas as etapas do processo de planejamento do processo sejam feitas com base nas operações que foram atribuídas às features.

Do exposto amteriormente, pode-se conceber a idéia de que em futuro próximo, com o avanço da pesquisa em projeto e modelagem dinâmicos, sistemas integrados e inteligentes de controle de produção, bem como de modelagem e simulação de sistemas de manufatura com a utilização do computador, os processos de fabricação partirão diretamente da mesa do projetista e com o auxílio de robôs e AGV´s (veículos auto Guiados) será possível a automação e integração de todo o processo de projeto e manufatura. A Figura 8 ilustra esta possibilidade

Figura 8 – Diagrama representativo dos sistemas Robóticos Industriais Fonte: Ferreira (2005)

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Considerações finais.

A evolução dos sistemas computacionais revolucionou os métodos de projeto e manufatura. As crescentes pesquisas denotam que em futuro próximo a atividade do ser humano ficará ligada a criatividade e gerenciamento da cadeia produtiva, cabendo às máquinas efetuarem o trabalho de processamento matemático e não ergonômicos. A pesquisa aqui apresentada procurou oferecer subsídios e referencias de pesquisa para que os leitores interessados possam conhecer com maior riqueza de detalhes as técnicas que envolvem projeto e manufatura computadorizados.

REFERÊNCIAS

BESANT, C.B. CAD/CAM Projeto e fabricação com auxílio do computador. Tradução de Ricardo Reinprecht. 2 ed. Rio de Janeiro: Campos, 1986.

HSU-PIN Wang; RICHARD A. Wysk; TIEN-CHIEN Chang. Computer-Aided Manufacturing.2 ed., New Jersey: Prentice-Hall, Inc, 1998.

TEICHOLZ, Eric. CAD/CAM Handbook. McGraw-Hill, 1985.

SLACK, Nigel; CHAMBERS, Stuart; JOHNSTON, Robert. Adminstração da Produção. 2 ed, São Paulo: Atlas, 2002.

ASFAHL, C. R..Robots and Manufacturing Automation. John Wiley & Sons, 1985.

TOLEDO, Leonardo Bastos de. Uma interface CAD/CAM para programação fora de linha de robôs industriais. Dissertação de Mestrado do Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina. 2000.

DIAS, Altamir; CUNHA, Raimundo R. M.. A feature-based database evolution approach in the design process. Revista Robotics and Computer Integrated Manufacturing, n 18, p. 275 – 281.agosto/2002. Pergamon, 2002.

DIAS, Altamir. Anotações de aula da disciplina de Sistemas CAE/CAD/CAM I, do Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina. 2005

FERREIRA, João Carlso E.. Apostila Sistemas Integrados de Manufatura da disciplina de Integração da Manufatura, do Curso de Pós-Graduação em

Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina. 2005

Álvares, Alberto José. Estudo dirigido. Métodos para Projeto, Planejamento do Processo e Fabricação de Peças Assistidas por Computador. Trabalho apresentado no Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina. Dez/2001.

Howard, L. Lewis, H. The Development of a database system to optimize manufacturing processes during design. Journal of Materials Processing Technology, n 134 p. 374-382.(2003).

Lau, Henry. Jiang, Bing. A generic integrated system from CAD to CAPP: a neutral file-cum-GT approach. Computer Integrated Manufcturing Systems. Vol. 11 – n 12 p. 67-75. (1998).

Kang, M.. Han, J.. Moon, J.G.. An approach for interlinking design ans process planning. Journal of Materials Processing Thecnology. n 139 p. 589-595. (2002).

Slack, Nigel. Chambers, Stuart. Harland, Christine. Harrison, Alan. Johnston, Robet. Administração da Produção. São Paulo. Atlas, 1997.