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Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos
Av. Prof. Mello Moraes, 2231
05508-030 - São Paulo - SP - Brasil
LSA – Laboratório de Sistemas de Automação www.pmrlsa.poli.usp.br
PMR3507
Fábrica digital
Projeto como centro
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• CNC inspirou o surgimento do CAD
– CNC permitia a geração de códigos para usinagem das peças
– Usuário se baseava no desenho técnico para gerar o código – exercício de abstração
– Especialista necessitava conhecer o material da peça, material da ferramenta, geometria da peça e características da máquina
– E se o código pudesse ser gerado a partir de um modelo computacional?
• Desenho precisaria ser 3D
• Ferramenta computacional precisaria ter uma base
de dados de materiais, ferramentas, e
características de máquinas
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• Sistemas CAD são usados para definir
– Geometria de componentes mecânicos
– Geometria de estruturas
– Layouts – planejamento do processo
– Componentes do projeto do produto
– Componentes do projeto do processo de fabricação
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• Sistemas CAD evoluíram com o próprio
computador
– Inicialmente formas básicas 1D e 2D
– Modelos 2D são na maioria dos casos similares aos
projetos convencionais feitos em prancheta
– Representados na forma de projetos técnicos com
informações de linhas, simbologias de usinagem,
anotações, lista de especificações e cotas
– Maior poder de processamento e melhores placas
gráficas – passaram a permitir a modelagem 3D
– Modelagem por fio de arame (wireframe) - MFA
– Modelagem por superfícies - MSU
– Modelagem por sólidos - MSO
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• Modelagem por fio de arame (wireframe) – MFA
– Representa o objeto pelas linhas e pontos
característicos
– Possibilita ao usuário manipular o modelo
modificando a posição das linhas e pontos
– Descrição matemática – lista de equações de
curvas, coordenadas dos pontos, e informações de
conectividade das linhas e pontos
– Fácil utilização
– Podem surgir interpretações ambíguas para alguns
modelos, bem como modelos inconsistentes – não é
possível determinar faces internas e externas do
modelo
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• Modelagem por superfícies – MSU
– Descrição matemática correspondente ao modelo
virtual inclui informações da superfície
– Podem ser criados modelos inconsistentes
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• Modelagem por sólidos – MSO
– Modela formas geométricas que tenham um volume
fechado
– Garante que o modelo seja consistente e não
ambíguo
Pro
tótipo v
irtu
al
• Substituição dos protótipos físicos
• Ambiente computacional deve ser capaz de realizar os mesmos ensaios que seriam realizados no protótipo físico
– Deve proporcionar forte senso de realidade
– Simulação de propriedades físicas em ambiente virtual
• Modelo computacional permite ao usuário
– Observar
– Manipular
– Testar / analisar / avaliar características específicas de um projeto candidato
– Treinar
– Inovar
Pro
tótipo v
irtu
al
• Protótipo não tem que ter todas as características
do produto final, mas deve ter as principais para
testar o produto frente a seus requisitos
• Permite que pessoas com conhecimentos técnicos
distintos interajam com o produto e analisem suas
funcionalidades em um ambiente virtual
• Pode ser gerado rapidamente e modificado
frequentemente nos primeiros estágios do projeto
Pro
tótipo v
irtu
al
• Comparado ao protótipo físico
– Produto pode ser otimizado tendo-se uma visão sistêmica
– Pode-se utilizar engenharia concorrente
– Os estágios do projeto do produto podem ser rapidamente analisados e várias opções de projeto podem ser comparadas para determinar o seu impacto, prever o produto em condições de uso e medir suas respostas, até se atingir o desempenho desejado
– Menor custo de desenvolvimento
– Menor ciclo de desenvolvimento
– Produtos de melhor qualidade
– Pode suprir parte ou toda a demanda pelo protótipo físico
– Protótipo físico é necessário onde não se tem informações sobre o produto analisado
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• Transformação de um modelo físico em um modelo
matemático capaz de representar, por meio de
suas variáveis, parâmetros e forças, o
comportamento e as características deste modelo
físico
• Permite
– Cálculos
– Verificação e simulação
– Análises de engenharia (cinemática, dinâmica,
reação à forças externas, deformações, condução
de calor, etc.)
• Resulta em auxílio à tomada de decisão com
relação à função, desempenho, etc.
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• Sistemas CAE utilizam métodos numéricos
• O modelo físico precisa ser transformado em um
modelo lógico (discreto)
• Métodos numéricos comumente empregados
– Diferenças finitas (MDF)
– Volumes finitos (MVF)
– Elementos finitos (MEF)
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• Método das diferenças finitas (MDF)
– Transformação do modelo físico em um modelo
lógico ocorre distribuindo os nós em uma malha
estruturada, sobreposta ao modelo físico
– Uma equação diferencial é descrita para cada um
dos nós (ponto a ponto) do modelo lógico
– Equações diferenciais substituídas por diferenças
finitas
– Determinadas condições de contorno e os
parâmetros que caracterizam o problema de
engenharia
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• Método dos volumes finitos (MVF)
– Transformação do modelo físico em um número
finito de volumes
– Definidos volumes de controle a fim de determinar
as variáveis desconhecidas
– União de todos os volumes de controle deve
abranger todo o volume físico, e assim, representar
o seu comportamento
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• Método dos elementos finitos (MEF)
– Transformação do modelo físico em lógico pela
divisão do modelo físico em regiões (elementos)
– Para cada região é desenvolvida uma solução
aproximada por equações diferenciais
– Necessário garantir a continuidade das soluções nas
fronteiras entre as regiões
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Problema de Engenharia
Melhoria do modelo
Refinamento da análise Interpretação dos
resultados
Avaliação da precisão da
solução
Discretização e solução
do modelo matemático
Modelo matemático (CAE) (Equações diferenciais)
Modelo físico (CAD)
Refinar malha, condições
de contorno, parâmetros,
etc.
Melhoria do modelo
matemático
Mudança do modelo físico
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Ma
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factu
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• Operações feitas no CAD convertidas em instrução
de máquina
• Conjunto de operações que devem ser realizadas
direta ou indiretamente, da peça bruta ao produto
acabado, no processo de fabricação
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rocess
Pla
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ing • CAD alavancou também o planejamento do
processo produtivo
– Informações do CAD são transformadas em
informações quanto ao processo de fabricação e
regras de fabricação
• As máquinas são combinadas e ordenadas
conforme o processo produtivo, seu scheduling, e
estágio do trabalho
• Máquinas de corte, fixação, e medição são
selecionadas
• São determinados para cada etapa:
– Parâmetros de corte
– Tempos de operação
– Tempos auxiliares (ex. setup, transferência)
Questõ
es
• CAD permite
– Análises de engenharia (CAE)
– Geração de código para CNC (CAM)
– Planejamento do processo (CAPP)
• Que outras informações podem ser obtidas do
CAD?
• Quais as necessidades de uma aplicação CAx
para viabilizar o processo de desenvolvimento
digital?
• Além do que já foi apresentado, que outras
finalidades podem ser datas ao CAD do produto e
do processo?
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