Diseño Paramétrico

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XIV Congreso Internacional de Ingeniería Gráfica

Santander, España – 5-7 junio de 2002

DISEÑO PARAMÉTRICO CON SISTEMASCAD/CAM 3D. APLICACIÓN AL MODELADO DE

UN TROQUEL DE CORTE Y PUNZONADO.

Enrique Soroa Sisamón, Lázaro Gimena Ramos

(1)Universidad Pública de Navarra, EspañaE.T.S.I.I. y T., Depto. Proyectos e Ingeniería Rural

Correo electrónico: [email protected]

(2)Universidad Pública de Navarra, EspañaE.T.S.I.I. y T., Depto. Proyectos e Ingeniería Rural

Correo electrónico:[email protected]

RESUMEN

En el presente trabajo se expone una metodología para realizar el modelado paramétrico deun utillaje. Este método servirá para crear un sistema flexible de diseño, valorando distintossistemas de CAD/CAM de propósito general o específico, y su implantación en unaempresa del sector de fabricación de utillajes. Se establecen las fases del proceso de diseñoparamétrico. Fase preliminar de estudio del conjunto a diseñar para la obtención de cotas ygeometría de referencia entre los elementos del utillaje. En segundo lugar se clasifican losdatos y se genera la tabla de diseño a utilizar para el intercambio de datos con el programade dibujo. Seguidamente se analizan y desarrollan las relaciones entre parámetros. Se creanlos primeros modelos y se realiza la retroalimentación de las variables. Como etapa final sedetermina y concluye el modelo definitivo parametrizado y posteriormente se definen lasvistas para la creación automática del despiece del conjunto. Se aplica esta metodología enel diseño de un troquel de corte y punzonado, creado para una familia de productos,mostrando las posibilidades de su utilización en la industria. Finalmente se extraen deltrabajo conclusiones, valoraciones económicas y ventajas de su implantación en la empresadedicada al diseño.

Palabras clave: Diseño paramétrico, herramienta flexible, sistemas CAD/CAM.

ABSTRACT

In the present work is exposed a methodology to accomplish the parametric model of a dietool. This method will serve to create a flexible design system, valuing different systems of

CAD/CAM of general or specific purpose, and its installation in a company of themanufacture sector of die tools. The phases of the parametric design process areestablished. Preliminary phase of study the set of pieces to design for the meseaures andgeometry obtainment of reference between the elements of the die tool. In second placedata are classified and the design table is generated to use for the data exchange with thedrawing program. Subsequently they are analyzed and developed the relationships betweenparameters. First models are developed and the feedback of the variables is accomplished.As final stage the definitive parametric model is determined and concluded and thereinafterare defined the conferences for the automatic creation of the drawing of the set. Thismethodology is applied in the design of a die tool, created for a products family, showingthe possibilities of its utilization in industry. Finally conclusions are extracted, economicvaluations and advantages of its installation in the company devoted to design.

Key words: Parametric design, flexible tool, CAD/CAM systems.



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1 Introducción

En primer lugar se realiza un diseño preliminar del conjunto del troquel, tal y como sediseñaría es dos dimensiones. Así junto con la pieza y las especificaciones de la prensa autilizar, se puede estudiar el conjunto para comenzar a dar unos parámetros iniciales conlos cuales basar la parametrización del troquel y poder empezar a programar lossistemas de CAD/CAM en tres dimensiones de forma paramétrica.

1ª fase: Dibujo en 2D, despiece y obtención de referencias de las piezas del troquel.2ª fase: Preparación de las primeras tablas de parámetros a utilizar en el diseño,

valoración.3ª fase: Análisis del software para el intercambio de datos y su utilización

paramétrica.4ª fase: Creación del primer modelo parametrizado utilizando las tablas

desarrolladas en Excel®. Valoración.5ª fase: Consecución del modelo perseguido, explicación de las limitaciones y

soluciones aportadas.A continuación se valorarán los resultados obtenidos, en el diseño del troquel, conlos diferentes programas de CAD/CAM. Desde la primera fase a la última.

Comparativa dinero-tiempo entre las dos metodologías de diseño de los troqueles.Por último se extraerán unas conclusiones de los diseños obtenidos y se detallarán

diferencias y semejanzas.

2 Etapas del diseño paramétrico

Con la llegada de los ordenadores, a finales de los años sesenta, se consiguió un granprogreso de la mano de los programas de “Computer Aided Desing” (CAD) usados parael diseño de las piezas; la simulación de esfuerzos en el troquelado con programas deanálisis por elementos finitos; la creación de algoritmos de códigos de control numéricomediante programas de “Computer Aided Manufacturing” (CAM); y para obtenergeometrías de piezas basadas en digitalizaciones de muestras.

Así la mayoría de las empresas del sector han adoptado las nuevas tecnologías CAD-CAM. Los nuevos desarrollos para piezas de troquelería se realizan usando paquetescomerciales de CAD como CATIA®, AutoCAD®, ProEngineer®, etc. El delineante creala forma de la pieza definiéndola en coordenadas cartesianas. Para piezas más complejasse pueden crear superficies (Bezier, B-Spline, NURBS, etc.) basadas en la unión dedistintos caminos o hilos creados previamente. El resultado es un fichero de datos

electrónico que contiene toda la información geométrica de la pieza diseñada y nospermite verla desde distintos puntos del espacio.En caso de tener que actualizarse por posibles modificaciones se lleva a cabo

electrónicamente la modificación del fichero creado, algo que no nos permitían losplanos en papel, bastante menos flexibles.

Los ficheros CAD generados nos permiten utilizar las geometrías espaciales creadaspara poder mecanizar sus formas usando el código de Control Numérico (NC) generadocon diferentes paquetes de CAM como Mastercam®, Cimatron®, etc. Estos programasentre otras cosas simulan los mecanizados antes de trabajar en las fresadoras CNC,previniendo cualquier tipo de fallo.

Estos ordenadores, programas y herramientas de análisis o simulación son usados

para conseguir un desarrollo más rápido y barato de los utillajes, troqueles etc.



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1.1 Fase Preliminar: Dibujo en 2D, despiece y obtención de referencias de laspiezas del troquel.

En esta primera etapa se procede a dibujar de manera tradicional, en AutoCAD® dos

dimensiones, el troquel completo. Los datos de partida serán, el tipo de material atroquelar, la anchura de la banda que le corresponde al corte de esa chapa, el grosor dela chapa, la vida estimada del troquel para definir holguras de corte, el tipo dealimentación del fleje de chapa, las toneladas de cierre de la prensa que tiene el cliente yel sistema de sujeción de los troqueles a la prensa que tienen previsto.

Tabla 1: Datos de partida.

DENOMINACIÓN MATERIAL TRATAMIENTOContraplaca inferior ST-52 ---Sufridera macho F-522 54-56Macho de corte PULVIMETALÚRGICO 55-57Expulsor macho F-114 ---

Guía de banda F-111 ---Matriz PULVIMETALÚRGICO 55-57Expulsor de matriz PRETRATADO ---Portapunzones ST-52 ---Sufridera matriz F-522 54-56Contraplaca superior ST-52 ---

El material que va a cortar el cliente con el troquel será acero de bajo contenido encarbono y con una resistencia a tracción de unos 300 N/mm2 (AP-11;330 N/mm2). Estematerial es suministrado en bobinas que alimentarán automáticamente al troquel, congrosor, entre 5 y 6 milímetros, y anchuras delimitadas para cada caso en particular. La

sujeción pensada para estos troqueles, a las bases de la prensa, es mediante bridas. Lasprensas empleadas para cortar con estos troqueles, serán de una 140 a 200 toneladasfuerza de cierre. Posteriormente se puede dibujar el troquel en dos dimensiones, contodo su despiece completo. Se van a realizar tres casos de chapas con figuras diferentes,lo más representativas de las distintas geometrías que se podrían dar en este tipo dediseños.

Tabla 2: Tres modelos a parametrizar.

REFERENCIA GROSOR DE CHAPA ANCHURA DE BANDA9148 4 mm 102 mm9247 5 mm 117 mm9363 5 mm 162 mm

El resultado de este trabajo de delineación se plasma en los de los tres diseños endos dimensiones. Sobre estos planos se analizan las piezas y como tomar referenciaspara llevar a cabo la parametrización. Así, pieza por pieza, se estudian sus dimensionesy la situación de sus diferentes elementos geométricos, agujeros de guíado, tornillos,anclajes, roscados, cortes de figuras, etc. Como resultado se obtiene una tabla paracomparación de cotas y realización de las primeras “anotaciones de campo”.



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1.2 Fase segunda: Preparación de las primeras tablas de parámetros a utilizar enel diseño.

Para el registro de los valores que se van observando, se ha de seguir un criterio, el cual

va a ser el mismo que se siga a la hora de parametrizar las piezas. Se tomarán losvalores de las distancias respecto de unos ejes cartesianos imaginarios, situados en elcentro de la cara proporcionada por la vista en planta de cada pieza.

El fundamento de seguir este criterio, es el no acumular los errores a la hora derealizar los mecanizados de las piezas. Puesto que, si se situa el cero de la pieza en unade las esquinas, los errores de reproducibilidad y repetitividad de la máquina, seránmayores cuanto mayor sea el valor de la distancia recorrida o mecanizada. Así quecomo criterio general, se toma como centro de la pieza su centro en la vista de planta,para tener la mitad de distancia donde poder contribuir con errores, en losdesplazamientos de mecanizado. Normalmente sólo en el caso de que se tenga comoreferencia una de las caras exteriores de la pieza, para su montaje o funcionalidad,

puede que no se siga el criterio expuesto. Se dispersarán así los errores hacia las carasopuestas a la referenciada, menos importantes para la pieza.

Tras volver a estudiar la primera tabla obtenida con los datos de los troqueles, segeneran los primeros valores unidos por fórmulas o identidades, por haber observadociertas relaciones entre ellos o su debida coincidencia. Muchos de ellos, gracias alcriterio seguido de identificar y parametrizar los valores numéricos de las cotas desdelos centros de las piezas, dan como resultado datos coincidentes, como era de esperar,ahorrando así duplicidad de datos a manejar en la variables.

1.3 3ª Fase: Análisis del software para el intercambio de datos y su utilización

paramétrica.Con la aplicación de vinculación de tablas que presenta Mechanical Desktop 4®, sepuede asignar variables a las cotas que controlan la definición de una pieza genérica yque permiten cambiar el tamaño y la forma de la pieza, mediante su modificación deforma directa en la ventana de control o de forma indirecta en la tabla vinculada (tablade hoja de cálculo Excel®). La hoja de cálculo puede contener varias versiones de lapieza y cada versión de pieza usa diferentes valores de las variables definidas en eldiseño. Mechanical Desktop® vuelve a dibujar las piezas usando las variablesvinculadas a la versión deseada. Así se puede simplificar la documentación de todas lasversiones utilizando un sólo dibujo, el cual represente a la pieza genérica.

La hoja de cálculo podemos insertarla en el dibujo para mostrar la lista de valores decada versión, pudiendo visualizar y modificar desde aquí los valores de las variables.

En el sector de la fabricación suelen utilizarse piezas idénticas a excepción de sutamaño o de alguno de sus componentes. Algunos ejemplos son los muelles, lasabrazaderas, las placas, las tuercas y los pernos.

Si se controla las versiones de una pieza desde una hoja de cálculo externa, se podrádocumentar varias piezas similares mediante un único dibujo.



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Figura 1: Ejemplo de Tabla de diseño.

La hoja de cálculo externa, o tabla, es el lugar en cual se introducirán lasmodificaciones en las especificaciones de diseño una vez configurado el dibujo. Alcontrolar la pieza desde una tabla, se evitarán errores debidos a la no implementación deun cambio de diseño en todos los dibujos de un grupo. Todos los datos de diseño se

guardan en la tabla, y un solo dibujo bastará para representar una familia de piezas.Como resumen de las etapas básicas que se ha seguido hasta el momento se puedecitar:

Creación de una tablaVisualización de versiones de piezasEdición de una tablaSolución de problemas frecuentes en las piezas vinculadas a tablaDesactivación de operaciones en piezas vinculadas a tablaConfiguración de un dibujo genérico para definir una pieza

1.4 4ª Fase: Creación del primer modelo parametrizado utilizando las tablasdesarrolladas en Excel®.

Partiendo de la penúltima revisión de la tabla realizada para relacionar los valores quedefinen la geometría del troquel, creamos la primera hoja de hoja de cálculo vinculadacon Mechanical Desktop®, que asignará valores a las variables con las cuales separametriza el troquel de corte diseñado.

Figura 2: Troquel parametrizado y su tabla de diseño.



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En esta figura vemos la tabla creada para vincular los valores parametrizados,relacionados mediante fórmulas en la tabla excel “ Base.xls”, generada para tal uso.También se puede apreciar en el navegador del modelo, las diferentes definiciones deldespiece y la definición de la tabla. En la tabla vemos los nombres de las variables deldiseño y los valores que tienen asignados, todos ellos en columnas; cada columna será

una versión.En este caso no se necesita utilizar versiones de pieza, ya que los valores, como seha dicho anteriormente, están interrelacionados. En este diseño los diferentes tipos deversiones se generan automáticamente con sólo actualizar el valor de los parámetrosprincipales del ancho, largo y espesor de la chapa que deseamos cortar con el troquel,en la tabla excel “ Base.xls” se denominan : A_ch, L_ch, Alt_ch respectivamente.

Los primeros pasos se emplearon llevando a cabo la metodología “prueba-error”,para comprobar, que realmente, los parámetros definidos en la tabla hacían su funciónen el diseño preparado. Se muestra una de las primeras versiones de la tabla deparámetros:

Tabla 3: Variables y parámetros.Variable Troquel Cortante

Alt_ch 6

L_ch 150

A_ch 50

X_Punz1 20

Y_Punz1 1,33

Ext_punz1 14

X_Punz2 0

Y_Punz2 0

X_Extrac =B14+(B12-B14)/2

Y_Extrac =B15-(B15+B13)/2

X_AmEx1 40Y_AmEx1 6,5

X_AmEx2 31,5

Y_AmEx2 12

M_AmEx 10

Ext_AmEx 20

A_pq =SI(B19<248;178;198)

L_pq =SI(((REDONDEAR((B3/100);1)*100)+100)<180;178;((REDONDEAR

L_binf =B40

Alt_binf 79

Øcolumna 40

X_gibi =B36/2 –13

Y_amsuf =B37/2-20,5

Øgibi 12

X_gima1 =B12

Y_gima1 =B13

X_gima2 0

Y_gima2 =B15

X_liex =B19/2-22

Y_liex =B18/2-22

X_liexc =SI(B32<100;B32;B32/3)

Y_liexc =B33

Con estas primeras versiones los resultados no se alejaban de lo esperado.



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Figura 3: Aproximación a la parametrización.

Observemos que las piezas no encajan correctamente y los agujeros de montajequedan desplazados entre unas piezas y otras ya que las piezas cambian de tamaños y se

actualizan los parámetros con los valores definidos en la tabla.

1.5 5ª Fase: Consecución del modelo perseguido, explicación de las limitaciones ysoluciones aportadas.

A continuación la tabla final utilizada como “ Base.xls” vincula el diseño final, y acontinuación se muestra la figura del troquel actualizado, con las cotas deseadas.

Modelo obtenido,tabla de datos y despiece:

Tabla de diseño

Modelo

Listado de piezas

Figura 4: Troquel parametrizado con sus tablas de diseño.

3 Estudio financiero-industrial.

A continuación, desde un punto de vista más económico e industrial, se valorarán losresultados obtenidos en el diseño del troquel, con los dos programas de CAD/CAMutilizados, AutoCAD® (2D) y Mechanical Desktop® (3D).

El nuevo método de dibujo en 3D propuesto para realizar con Mechanical, se tendráen cuenta como una inversión, para una mejora sustancial del sistema de diseño en unaempresa del sector de mecanizados y utillajes a medida. Esta inversión realizada nosencarecería los primeros diseños, pero una vez se alcance el umbral de rentabilidad

comenzará a ser más barato que el sistema antiguo de delineación en 2D, dado que conun sólo diseño parametrizado se es capaz de definir, salvo pequeños matices y ajustes,toda una familia de utillajes.



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A la hora de hacer los cálculos, se ha de tener en cuenta que los costes indirectospara mantener una oficina técnica, serán iguales en ambos casos, por lo que no se tienenen cuenta en el estudio. En el apartado de mano de obra directa, se compara en amboscasos el trabajo de una sola persona, y el tiempo empleado en hacer esos diseños.

Respecto a las inversiones a realizar, en ambos casos deberíamos adquirir unos

equipos informáticos similares y tener unas licencias de uso de software, que en el casode los diseños nuevos en Mechanical®, pueden ser entre un 30% y un 40% más carasque las necesarias para AutoCAD 2000®. Como ya se ha comentado, para el método dediseño nuevo propuesto, se ha de reflejar como inversión el tiempo de desarrollo de laaplicación para el diseño paramétrico de Mechanical Desktop® y valorarlo.

Se ha mostrado cómo para el método antiguo hemos de repetir las etapas dedesarrollo de geometrías del troquel y la de delineación, cada vez que se crea uno.Mientras que con la herramienta de diseño paramétrico, sólo se ha de invertir primeroun tiempo en su desarrollo y luego, para cada caso particular, emplear un pequeñotiempo en retoques y ajustes finales.

Seguidamente se aprecia tabla resumen del análisis financiero de este nuevo

desarrollo con Mechanical®, comparándolo con el método anterior de delineación conAutoCAD® 2D.

Para realizar un primer diseño se tiene:

Concepto Antiguo Método Nuevo MétodoMAQUINARIA:

Ordenador:Software:

300.000 ptas.600.000 ptas.

300.000 ptas.900.000 ptas.INVERSION

HERRAMIENTA DEDISEÑO

0 horas = 0 ptas. 80 horas x 3000 ptas/hr.== 240.000 ptas.

DESARROLLO DEGEOMETRÍA

2 horas x 3000 ptas/hr.== 6000 ptas.

0 horas = 0 ptas.

1

S O L O D

I S E Ñ O

TRABAJO DE

OF. TECNICA DELINEACION 10 horas x 3000 ptas/hr.== 30000 ptas.

2 horas x 3000 ptas/hr.== 6000 ptas.

TRABAJO:12 horas x 3000 ptas/hr.=

= 36000 ptas.82 horas x 3000 ptas/hr. =

= 246000 ptas.RESUMENMAQUINARIA: 900.000 ptas. 1.200.000 ptas.

TOTAL: 936.000 ptas. 1.446.000 ptas.

Para realizar 100 diseños, suponiendo por ejemplo el período de un año:

CONCEPTO Antiguo Método Nuevo MétodoMAQUINARIA:

Ordenador:Software:

300.000 ptas.600.000 ptas.

300.000 ptas.900.000 ptas.INVERSION

HERRAMIENTADE DISEÑO

0 horas = 0 ptas. 80 horas x 3000 ptas/hr.== 240.000 ptas.

DESARROLLO DEGEOMETRÍA

100 troq.x 2 hr.x 3000 ptas/hr== 600000 ptas.

0 horas = 0 ptas. 1 0 0

D I S E Ñ

O S

TRABAJODE OF.

TECNICA DELINEACION 100 troq.x10 hr.x 3000 ptas/hr== 3000000 ptas.

100 troq. x 2 hr. x 3000 ptas/hr.== 600000 ptas.

RESUMEN TRABAJO:INVERSION:

Inversión: 900.000 ptas. Inversión: 1.200.000 ptas.

TRABAJO:100 troq.x 12 hr. x 3000 ptas/hr=

= 3.600.000 ptas.280 horas x 3000 ptas/hr. =

= 840.000 ptas.RESUMENMAQUINARIA: 900.000 ptas. 1.200.000 ptas.

TOTAL: 4.500.000 ptas. 2.040.000 ptas.



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De manera que en un año nos podríamos ahorrar con el desarrollo de este tipo deherramientas 55% de lo que nos cuesta diseñarlas sin parametrización de los diseños.

Con los cálculos desarrollados, se aprecia cómo a partir del diseño 18 nuestro diseñoparametrizado sería rentable.

UMBRAL DE RENTABILIDAD

0 pta

500.000 pta

1.000.000 pta

1.500.000 pta

2.000.000 pta

2.500.000 pta

3.000.000 pta

3.500.000 pta

4.000.000 pta

4.500.000 pta

5.000.000 pta

0 20 40 60 80 100 120

Nº DISEÑOS

G A S T O

( p t a s )

Método Antiguo

Método Nuevo

Diseño 18

Figura 5: Ejemplo de figura.

4 Conclusiones

Por último se extraen unas conclusiones sobre los resultados del diseño obtenidomediante una herramienta de CAD en 3Dy su comparativa con la realización de diseñosen 2D con con un programa de CAD no específico.

Diseño 3D Diseño 2D

- Existe un modelo del conjunto realizado. - NO Existe un modelo del cjto. realizado.- Podemos ver desde diferentes posiciones eldiseño, para ver posibles errores,intersecciones, etc., todo ello antes de crearel dibujo definitivo en espacio papel.

- NO Podemos ver desde diferentesposiciones el diseño, sólo crear diferentesvistas en 2D.

- Se puede intercambiar datos y vincularloscon elementos externos.

- NO podemos vincular datos con elementosexternos para poder intercambiarlos.

- El programa genera una base de datos quepodemos utilizar para crear listados ycaracterizar las piezas empleadas.

- NO se generan caracterizaciones de laspiezas empleadas ni se pueden emplear paralistados.

- Se pueden editar cotas de formaparamétrica, como ecuaciones o relacionesentre ellas.

- NO se pueden parametrizar acotaciones.

- Realizar un diseño con Mechanical puedeser más costoso (± 20%).

- La realización de diseños con AutoCADsuele ser más sencilla.

- Los resultados obtenidos nos servirán en100% para piezas similares, evitaremos losfallos de delineación por que hemosparametrizado y relacionado las cotas deldiseño.

- El dibujo obtenido no se podrá aprovecharen totalidad, sólo un 40-50%, pero con laposibilidad de arrastrar fallos, al desplazar,estirar, borrar, olvidando operaciones, etc.,perdiendo la geometría deseada o buscada.

- Al final nos resulta más barato, como se ha

visto en los cálculos técnicos financieros.

- Al final es más caro, como se ha mostrado

en las gráficas de financiación.



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Referencias

1) OEHLER, KAISER. Herramientas de troquelar, estampar y embutir . EditorialGustavo Gili, GG. ISBN 84-252-0640-5, Barcelona, 1977.

2) SYNDICAT NATIONAL DU DECOUPAGE ET DE L´EMBOUTISSAGE. Curso

de Troquelería 1964.

3) WALCZYK, Daniel. Rapid Fabrication Methods for Sheet Metal Forming Dies.Tesis, Massachusets Institute of Thecnology, 1996.

4) DREES, Franz R.. A comparative analysis of best practice in the manufacture of

hard dies for automotive stamping operations. Tesis, Massachusets Institute of Thecnology, 1991.

5) EIGEN, Gary. Smoothing Methods for Discrete Die Forming. Tesis, MassachusetsInstitute of Thecnology 1992.

6) AutoDesk. Manuales de instrucción de Mechanical Desktop 4.0. 2000.

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