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Reconocimiento de características

El término " característica " implica diferentes significados en distintas disciplinas de ingeniería. Esto ha dado lugar a muchas definiciones ambiguas de característica. En el ...

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El término " característica " implica diferentes significados en distintas disciplinas de ingeniería. Esto ha dado lugar a muchas definiciones ambiguas de característica. En el diseño asistido por ordenador (CAD), una característica suele referirse a una región de una pieza con propiedades geométricas o topológicas interesantes. [ 1 ] Estas se denominan más precisamente características de forma. Las características de forma contienen información tanto de forma como paramétrica de una región de interés. Actualmente son omnipresentes en la mayoría del software CAD actual, donde se utilizan como medio principal para crear modelos geométricos 3D. Ejemplos de características de forma son el saliente extruido, el loft, etc. La característica de forma no es el único tipo de característica que se discute en la literatura CAD. A veces, se hace referencia a las características funcionales o de fabricación de una pieza objeto de estudio. [ 2 ] [ 3 ] Aunque es posible ver características de forma y características de fabricación con el mismo nombre, no son exactamente los mismos conceptos. Por ejemplo, se puede usar el nombre "cavidad" para referirse a un corte barrido en el límite de un modelo de pieza, o para referirse a una huella dejada en el límite de la pieza por una operación de mecanizado específica. El primero se ocupa exclusivamente de una forma geométrica, mientras que el segundo se ocupa tanto de la forma geométrica como de una operación de fabricación, necesitando más parámetros en su definición. Por lo tanto, una característica de fabricación puede definirse mínimamente como una característica de forma (si tiene una forma que puede representarla de forma única), pero no necesariamente a la inversa (las formas pueden interpretarse de manera diferente en diferentes dominios de fabricación). [ 2 ] Las características de mecanizado son un subconjunto importante de las características de fabricación. Una característica de mecanizado puede considerarse como el volumen barrido por una herramienta de "corte", [ 4 ] que siempre es un volumen negativo (restado). Finalmente, también está el concepto de característica de ensamblaje, que codifica el método de ensamblaje entre componentes conectados.

Los datos de características en CAD se pueden especificar como una colección de superficies o como volúmenes. Las características de superficie se pueden usar para describir tolerancias de fabricación o superficies de ubicación en el diseño de ensamblajes. Las características volumétricas, por otro lado, se pueden usar en la generación de trayectorias de herramientas, etc. La información de fabricación (particularmente en el mecanizado) se representa mejor mediante el uso de características volumétricas. [ 1 ]

El primer trabajo publicado sobre características fue para el sistema original de modelado de representación de límites , BUILD, y fue realizado por Lyc Kyprianou. [ 5 ] Pronto siguieron otros trabajos basados ​​en diferentes representaciones sólidas. Se pueden encontrar resúmenes del trabajo sobre características en Shah et al.; [ 6 ] Subrahmanyam y Wozny; [ 7 ] Salomons et al. [ 8 ]

Tecnología

El trabajo con características (generalmente denominado tecnología de características) se puede dividir en dos categorías principales: diseño basado en características y reconocimiento de características. En el diseño basado en características (FBD, por sus siglas en inglés), las estructuras de características se introducen directamente en un modelo mediante operaciones específicas o insertando formas. Por otro lado, el objetivo del reconocimiento de características (FR, por sus siglas en inglés) es extraer algorítmicamente entidades de nivel superior (por ejemplo, características de fabricación) de elementos de nivel inferior (por ejemplo, superficies, aristas, etc.) de un modelo CAD.

Modelo de generación de características de formulario

La completitud de un conjunto de características es muy subjetiva, y la dependencia del dominio escapa a una definición formal. El modelo de generación de características propuesto por Nalluri y Gurumoorthy [ 9 ] intenta definir la completitud de un conjunto de características. Definen una característica de forma independiente del dominio como un conjunto de caras con características topológicas y geométricas distintas. Han modelado la creación de una característica de forma como la suma/resta de un sólido de características (volumen mínimo exacto requerido) a/desde un sólido base. Definen el "Tipo" de característica en función de la topología local de las caras del sólido base participantes y la "forma" en función de la forma del sólido de características. Basándose en estas definiciones, han enumerado y clasificado las características de forma. Por ejemplo, han enumerado 94 tipos de características de forma de barrido, con la posibilidad de que cada tipo de característica tenga un número ilimitado de formas. Proporcionaron pruebas de que esos 94 tipos son completos para el sólido de características de barrido. Han modelado la extracción de características como un proceso inverso a su modelo de generación de características. Han desarrollado un algoritmo de reconocimiento de características basado en el concepto de cálculo del estado topológico dinámico de las caras. También definieron un marco para mapear estas características independientes del dominio a un dominio de interés específico.

Diseño por características

Al utilizar características para construir modelos de forma, el proceso de diseño se vuelve más eficiente, ya que la forma de las características se puede predefinir. Las características en FBD se pueden asociar directamente a la información de fabricación [ 10 ] para que esta información se pueda recuperar en aplicaciones posteriores. De esta manera, un sistema CAD / CAM general puede automatizarse por completo, sin embargo, la idea de utilizar características de fabricación para diseñar una pieza tiene sus propios inconvenientes: [ 2 ] Las características utilizadas para diseñar la pieza no representan necesariamente la mejor manera de fabricarla. Por lo tanto, es responsabilidad del diseñador evaluar todos los métodos que pueden producir la pieza. Además, las características de fabricación no son la forma más natural de diseñar una pieza.

Reconocimiento de características

El método propuesto por Kyprianou [ 5 ] tenía como objetivo codificar piezas para la tecnología de grupos (GT). El propósito de la GT es clasificar sistemáticamente los objetos según su método de fabricación. El trabajo de Kyprianou consistió en clasificar las caras en grupos primarios y secundarios y luego identificar características según los patrones de estas caras primarias o secundarias. Una cara primaria es aquella con múltiples límites (también llamados "bucles de agujeros") o límites mixtos cóncavos y convexos. Un límite cóncavo es un conjunto de bordes cóncavos, donde el ángulo sólido sobre el borde es mayor de 180. Las caras secundarias son todas las demás caras. El trabajo de Kyprianou fue continuado y ampliado por Jared et al. para cubrir una serie de casos especiales importantes donde las características interactuaban.

El reconocimiento automático de características (AFR) se considera una solución ideal para automatizar los procesos de diseño y fabricación. La automatización exitosa de los sistemas CAD y CAM es una conexión vital en la construcción de sistemas de fabricación integrada por computadora (CIM). [ 11 ] Esta es la parte de la investigación sobre FR que ha atraído gran parte de la atención. Otra aplicación importante de AFR es la evaluación de la fabricabilidad. [ 12 ] El sistema AFR debe ser capaz de interpretar el diseño de manera diferente según las características alternativas y proporcionar al diseñador información sobre la fabricabilidad y el costo de esas interpretaciones.

Existe una gran cantidad de diferentes técnicas AFR que se han propuesto para la integración CAD/CAM y la planificación de procesos. Han et al. [ 13 ] proporciona un análisis crítico y detallado de algunos de los enfoques existentes. Los métodos más comunes según Han et al. abarcan desde algoritmos basados ​​en grafos hasta técnicas basadas en sugerencias y descomposición volumétrica. En el reconocimiento de características basado en grafos, se crea un grafo que muestra la topología de la pieza (conexión de caras). El grafo suele tener atributos, por ejemplo, los bordes se marcan como cóncavos o convexos. [ 14 ] Este grafo se analiza para extraer subconjuntos de nodos y arcos que coincidan con cualquier plantilla predefinida. Esto se realiza mediante diversas técnicas, incluidos algoritmos de isomorfismo de grafos. [ 15 ]

Los enfoques basados ​​en grafos han sido criticados por varias deficiencias. No logran considerar la fabricabilidad de las características reconocidas debido a su fuerte dependencia de patrones topológicos en lugar de geometría. La intersección de características provoca una explosión en el número de posibles patrones de características que arruina cualquier intento de formular patrones de características. Para abordar estas dificultades, Vandenbrande y Requicha [ 16 ] propusieron buscar la "porción mínima indispensable del límite de una característica", llamada indicio, en lugar de patrones de características completos. Por ejemplo, la presencia de dos caras planas opuestas es un indicio de la posible existencia de una característica de ranura. Los indicios no se limitan necesariamente a la geometría de la pieza. También se pueden extraer de tolerancias y atributos de diseño. Por ejemplo, "un atributo de rosca puede tomarse como un indicio de agujero" [ 13 ] . Este enfoque ha tenido más éxito en el reconocimiento de características que se intersecan. Sin embargo, se ha cuestionado la eficiencia del enfoque, ya que podría haber una gran cantidad de trazas que no conducirán a características válidas. [ 13 ] Algunos autores han estado a favor de utilizar un híbrido de FR basado en grafos y basado en pistas para mejorar la eficiencia del razonamiento basado en pistas. En el enfoque híbrido, el razonamiento basado en grafos se utiliza para encontrar aquellas regiones de la parte que ciertamente conducen a características válidas cuando se utilizan por el razonador basado en pistas. [ 17 ] [ 18 ] Otros enfoques de FR existentes son la descomposición volumétrica, [ 19 ] [ 20 ] redes neuronales artificiales, [ 21 ] y sistemas expertos [ 22 ] Babic et al. [ 23 ] introducen brevemente muchos de ellos.

Sin embargo, construir sistemas de reconocimiento de características que funcionen eficazmente en productos industriales reales ha resultado difícil. Un producto real con cientos de caras y aristas finales paraliza casi todos los enfoques anteriores debido a su complejidad computacional. Además, las características estudiadas en estos enfoques suelen estar demasiado simplificadas. La mayor parte de la literatura sobre reconocimiento de características normalmente trata con características 2.5D (aquellas creadas al barrer un perfil 2D a lo largo de un eje lineal). Las representaciones gráficas, las definiciones de sugerencias o las descomposiciones de volumen son mucho más difíciles de definir para características 3D y de forma libre. El trabajo realizado por Sundararajan [ 24 ] se centra en superficies de forma libre, pero nuevamente tiene una aplicación limitada. La simplificación excesiva también es evidente incluso en el caso de características 2.5D. Por ejemplo, los algoritmos de reconocimiento de características suelen asumir aristas cóncavas agudas en la geometría de la característica. Sin embargo, dichas aristas apenas se utilizan en el diseño real de componentes mecánicos debido a las limitaciones de fabricación. Algunos de estos problemas, como la presencia de aristas redondeadas y superficies de forma libre en el modelo, han sido estudiados por Rahmani y Arezoo [ 17 ] .

Sistemas comerciales de reconocimiento de características

También existen algunos sistemas comerciales de reconocimiento de características. Si bien la tecnología de reconocimiento de características se puede aplicar a diversas aplicaciones, el software comercial la ha adoptado eficazmente para recrear el árbol de características a partir de modelos importados, de modo que incluso estos modelos se puedan editar como si fueran modelos sólidos nativos. Los principales modeladores CAD 3D cuentan con reconocimiento de características para convertir modelos 3D importados en modelos nativos basados ​​en características. El software CAM y el software de diseño para la fabricación también se desarrollan utilizando esta tecnología de reconocimiento de características. Algunos programas CAD/CAM utilizan bibliotecas de reconocimiento de características de terceros disponibles comercialmente, que reconocen diversas características de modelos B-Rep 3D. Existen bibliotecas separadas para aplicaciones de diseño, fabricación y chapa metálica. La biblioteca de reconocimiento de características de diseño puede identificar características como agujeros de varios tipos, agujeros divididos, cadenas de agujeros, redondeos, chaflanes, extrusiones de corte, extrusiones de saliente, extrusiones desmoldeadas, cortes de revolución, salientes de revolución, nervaduras, desmoldeados, superficies de transición y barridos. La biblioteca de reconocimiento de características de fabricación proporciona el reconocimiento de características de fabricación tales como agujeros simples, agujeros cónicos, agujeros avellanados, agujeros avellanados hundidos, agujeros avellanados perforados, cadenas de agujeros, patrones de agujeros tales como patrones lineales, rectangulares y circulares, filetes, chaflanes, cavidades ciegas, cavidades pasantes, cavidades desmoldeadas, cavidades fileteadas y chaflanadas, ranuras simples, ranuras desmoldeadas, ranuras fileteadas y chaflanadas, islas en cavidades y ranuras, volúmenes mecanizables, losas mecanizables, características de intersección múltiple, características de simetría axial tales como perfiles torneados externos, perfiles torneados internos, ranuras torneadas tales como ranuras en V y de cola de milano, y características de torneado-fresado tales como ranuras y cavidades en perfiles torneados. La biblioteca de reconocimiento de características de chapa metálica extrae características desde una perspectiva de chapa metálica. Entre las diversas características identificadas a través de esta biblioteca se incluyen paredes, dobleces, agujeros, recortes, agujeros con reborde, recortes con reborde, muescas, dobladillos abiertos, dobladillos cerrados, dobladillos en forma de lágrima, dobladillos enrollados (rizos), rebordes de escalón, rebordes de borde, rebordes de contorno, sellos como persianas, lanzas, puentes, hoyuelos, perlas, relieves y nervaduras. Si bien estos sistemas comerciales pueden identificar una variedad de las características mencionadas anteriormente, se puede realizar una investigación adicional para identificar tipos de características que no son reconocidas por dichos sistemas comerciales. Las características de fabricación, como el reconocimiento de características de 3 y 5 ejes, generalmente no están disponibles en estos sistemas comerciales.

Véase también

Referencias

  1. 1 2 Pratt MJ y Wilson PR, 1985, Requisitos para el soporte de características de forma en un sistema de modelado sólido, CAM-I , R-85-ASPP-01
  2. 1 2 3 Regli WC, 1995, Algoritmos geométricos para el reconocimiento de características de modelos sólidos, tesis doctoral, Univ. Maryland, College Park MD.
  3. ↑ Shah JJ, Mäntylä M., 1995, CAD/CAM paramétrico y basado en características, Publicación de Wiley-Interscience, John Wiley Sons Inc.
  4. ↑ Chang TC, 1990, Planificación experta de procesos para la fabricación, Addison –Wesley, Nueva York.
  5. 1 2 Kyprianou, L., 1980, Clasificación de formas en el diseño asistido por computadora, Tesis doctoral, Universidad de Cambridge.
  6. ↑ Shah, JJ, Anderson, D., Kim, YS, Joshi, S., 2001, Un discurso sobre el reconocimiento de características geométricas a partir de modelos CAD, Journal of computing and information science in engineering, Vol 1, pp. 41-51.
  7. ↑ Subrahmanyam, S., Wozny, M. (1995). "Una visión general de las técnicas de reconocimiento automático de características para la planificación de procesos asistida por ordenador". Computers in Industry . 26 : 1–21 . doi : 10.1016/0166-3615(95)80003-4 .{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  8. ↑ Salomons, O., van Houten, FJ, Kals, HJ, 1993, Revisión de la investigación en diseño basado en características, Journal of Manufacturing Systems , vol. 12, n.º 2, págs. 113-132.,
  9. ↑ Sivarama Nalluri, Modelo de generación de características de forma para tecnología de características, Tesis doctoral, Instituto Indio de Ciencias, Bangalore, 1994.
  10. ↑ Shah JJ y Rogers MT, 1988, Expert form feature modeling shell, Computer Aided Design, Vol. 20, No. 9, PP. 515-524.
  11. ↑ Scholenius G., 1992, Ingeniería concurrente, ponencia principal, Anales de CIRP, 41(2):645-655
  12. ↑ Gupta SK y Nau SK, 1995, “Un enfoque sistemático para analizar la fabricabilidad de piezas mecanizadas”, Computer Aided Design , vol. 27.
  13. 1 2 3 Han JH, Pratt M. y Regli WC, 2000, Reconocimiento de características de fabricación a partir de modelos sólidos: un informe de estado, IEEE Trans. On Robotics and Automation, 16(6): 782-796
  14. ↑ S. Joshi y TC Chang, 1988, Heurísticas basadas en grafos para el reconocimiento de características mecanizadas a partir de un modelo sólido 3D, JCAD, 20(2):58-66.
  15. ↑ M. Marefat y RL Kashyap, 1990, Razonamiento geométrico para el reconocimiento de características de objetos 3D, IEEE Trans. Pattern Anal. Machine Intell. , 12(10):949-965.
  16. ↑ JH Vandenbrande y AAG Requicha, 1993, Razonamiento espacial para el reconocimiento automático de características mecanizables en modelos sólidos, IEEE Trans. Pattern Anal. Machine Intell., Vol. 15, pp. 1-17.
  17. 1 2 K. Rahmani, B. Arezoo, 2006, Análisis de límites y completación geométrica para el reconocimiento de características de mecanizado interactivas. Computer-Aided Design 38(8): 845-856.
  18. ↑ K. Rahmani, B. Arezoo, 2007, Un marco híbrido basado en pistas y en gráficos para el reconocimiento de características de fresado interactivas, Computers in Industry, 58(4):304-312.
  19. ↑ Y. Kim, 1990, Descomposición convexa y modelado geométrico sólido, tesis doctoral, Universidad de Stanford.
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  21. ↑ Hwang J., 1991, Aplicación del perceptrón al reconocimiento de características 3D, Tesis doctoral, Universidad Estatal de Arizona.
  22. ↑ Henderson MR, 1984, Extracción de información de características a partir de datos CAD tridimensionales, Tesis doctoral, Universidad de Purdue, West Lafayette, IN, EE. UU.
  23. ↑ Babic b., Nesic, n., Miljkovic Z., 2008, Una revisión del reconocimiento automatizado de características con reconocimiento de patrones basado en reglas, Computers in Industries, 59(4): 321-337.
  24. ↑ V. Sundararajan, Paul K. Wright, 2004, Reconocimiento de características volumétricas para el mecanizado de componentes con superficies de forma libre. Computer-Aided Design 36(1): 11-25
  • Reconocimiento de características: el eslabón perdido para la CAM automatizada
  • Reconocimiento de características de fabricación para su integración con la planificación de procesos.
  • Reconocimiento de características de fabricación: un informe de estado
  • reconocimiento de características híbrido basado en pistas y en gráficos