Geração Automática de Desenhos na Plataforma CAD Solid Works a
Partir de Células Paramétricas Desenvolvidas em Ambiente Visual Basic
R.C. Valério; J.N. Brito; G. R. Souza
Departamento de Engenharia Mecânica - UFSJ - São João del Rei, MG
CEP: 36307-352
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Resumo. O objetivo da Engenharia de Projeto é encontrar soluções para problemas
técnicos. Para tanto, se baseia em conhecimentos das ciências naturais e da engenharia e
leva em conta os condicionantes materiais, tecnológicas e econômicas, bem como
restrições legais, ambientais e aquelas impostas pelo ser humano. A exigência de que os
produtos e projetos sejam mais econômicos, silenciosos, leves e eficientes tem forçado o
aperfeiçoamento de produtos e técnicas em um ritmo acelerado. Neste cenário, as técnicas
convencionais de projeto devem ser atualizadas para incorporar as novas tendências do
mercado cada vez mais globalizado. Aplicando técnicas de Engenharia de Softwares, neste
trabalho apresenta-se a geração automática de desenhos na plataforma CAD Solid Works
a partir de células paramétricas desenvolvidas em ambiente Visual Basic. Os resultados
mostram uma significativa otimização no desenvolvimento de projetos, reduzindo o tempo
de elaboração de um novo produto ou peça e permitindo maior produtividade e uma maior
economia do tempo, tornando o projeto economicamente mais viável.
Palavras chaves: Engenharia de Softwares, Engenharia de Projetos, Células Paramétrica
Nono Simpósio de Mecânica Computacional
1.
Universidade Federal de São João Del-Rei - MG - ABMEC
INTRODUÇÃO
A engenharia de Projeto tem como finalidade encontrar soluções para problemas
técnicos. Para tanto, se baseia em conhecimentos das ciências naturais e da engenharia e
leva em conta os condicionantes materiais, tecnológicos e econômicos, bem como
restrições legais, ambientais e aquelas impostas pelo ser humano. As soluções precisam
atender aos objetivos prefixados e autopropostos. Após seu esclarecimento os problemas
são convertidos em subtarefas concretas que o engenheiro terá pela frente durante o
processo de desenvolvimento do produto. Isto ocorre tanto no trabalho individual quanto
no trabalho em equipe, no qual é realizado o desenvolvimento interdisciplinar de produtos,
Pahl et al. (2005).
Dessa forma, num processo de projeto, as atividades precisam ser apropriadamente
ordenadas num fluxo de trabalho claro, com etapas principais e etapas de execução, para
que possam ser planejadas e controladas.
Influências importantes sobre o processo de projeto e diretamente sobre a atividade do
projetista advêm do uso da informática. A ferramenta metodológica CAD (Computer Aided
Design) modifica os métodos de projeto utilizáveis, as estruturas de trabalho, bem como,
indubitavelmente, a criatividade e o processo mental de cada projetista.
Na Universidade Federal de São João del Rei (UFSJ), trabalhos de Iniciação Científica
foram desenvolvidos nesta área. Um dos trabalhos mais significativo foi o
desenvolvimento do programa computacional Engrena, que realiza cálculos de
engrenagens cilíndricas de dentes retos e helicoidais, cônicas e parafuso sem fim e coroa,
Brito et al. (1999).
Brito Brito et al. (2000) implementou a rotina "Tecnologia de Grupo", que possibilitou
a melhor identificação das peças desenvolvidas no programa, tanto no desenvolvimento de
projetos quanto na manufatura.
Brito et al. (2004) implementou no programa Engrena a primeira reformulação da
interface, o banco de dados e o sistema de ajuda eletrônica permitindo maior agilidade e
flexibilidade do usuário e o armazenamento de dados do projeto desenvolvido com o
programa. Nesta versão apresentou-se a idéia de exportar os dados para uma plataforma
CAD.
Dando continuidade a estes trabalhos desenvolveu-se a rotina "Desenho Paramétrico de
Engrenagens" capaz de gerar os desenhos diretamente em uma plataforma CAD a partir
dos dados inseridos e calculados em um software de dimensionamento. Este software não
só gera desenho de engrenagens como também de outros componentes permitindo que
projetos de sistemas mecânicos sejam desenvolvidos mais rapidamente e de forma
otimizada.
Outra motivação para o desenvolvimento deste projeto deve-se ao crescimento da Área
de Projetos em todo o setor industrial. A demanda por profissionais nesta área é notória e
consequentemente o desenvolvimento de pesquisa nesta área se faz necessário.
2.
MATERIAIS E MÉTODOS
O desenho assistido por computador passou por grandes desenvolvimentos na última
década. Os primeiros programas de CAD possuíam apenas algumas funções básicas que
permitiam a realização de desenhos bidimensionais de peças com formas pouco
complicadas. Nos últimos anos um enorme salto qualitativo foi dado e atualmente todos os
programas existentes no mercado possuem capacidades de modelação tridimensional de
sólidos, obtenção direta dos desenhos bidimensionais para fabricação, montagem de
conjuntos e interligações a programas para o estudo cinemático/dinâmico, elementos
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finitos, maquinação usando CAD/CAM, moldação e estampagem dentre outros, Dias
(1999).
Ainda segundo Dias (1999) o projeto dos sistemas, usando modelação de sólidos
paramétrica e tridimensional, apresenta inegáveis vantagens tais como uma maior
facilidade de visualização dos sistemas e componentes durante o seu desenvolvimento, um
menor tempo de desenvolvimento dos modelos traduzido em menores custos de concepção
e as já referidas interligações com programas de projeto.
2.1. Visual Basic
O Visual Basic evoluiu a partir do BASIC (Beginner’s All-purpose Symbolic
Instruction Code - Código de Instrução Simbólico de Propósito Geral para Iniciantes)
desenvolvido na metade da década de 60 pelos professores John Kemeny e Thomas Kurtz
da Faculdade Dartmounth como um ambiente de programação para escrever programas
simples. O propósito primário do BASIC era familiarizar iniciantes com as técnicas de
programação. O uso difundido do BASIC em vários tipos de computadores levou a vários
aprimoramentos na linguagem.
Em 1991 surgiu o Visual Basic, um ambiente de programação específico para o
desenvolvimento de aplicativos com interface gráfica para Windows. Os principais
recursos oferecidos pelo Visual Basic são o tratamento de eventos, acesso direto à interface
de programação do Windows - API Win32, programação orientada a objetos e tratamento
de exceções.
O Visual Basic é um ambiente dirigido por eventos (event driven), e possui também
um ambiente de desenvolvimento integrado (IDE - Integrated Development Environment)
totalmente gráfico, facilitando enormemente a construção da interface das aplicações (GUI
- Graphical User Interface), daí o nome "Visual". Permite a elaboração de um programa
com elevada qualidade de interface com o usuário.
Em suas primeiras versões, o Visual Basic não permitia acesso a bancos de dados,
sendo, portanto voltado apenas para iniciantes. Mas devido ao sucesso entre as empresas,
que faziam uso de componentes adicionais fabricados por terceiros para acesso a dados, a
linguagem logo adotou tecnologias como DAO, RDO, e ADO, permitindo fácil acesso a
bases de dados.
O Visual Basic foi escolhido no desenvolvimento deste software por possuir uma
excelente comunicação com a plataforma CAD utilizada no desenvolvimento deste
trabalho. Além disso, o programa utilizado como base do GearBox, o Engrena, foi
desenvolvido em Visual Basic, sendo mais fácil manipular seu código fonte. É um
ambiente de programação completo e de fácil entendimento, gera arquivos que ocupam
pouco espaço de memória de armazenamento e possui muitos recursos e ferramentas
disponíveis, além da integração com as opções de macro de outros programas e da
possibilidade de criar a versão executável do programa, através do próprio Visual Basic 5.0
ou com compiladores disponíveis no mercado.
2.2. Solid Works
O Solid Works é uma plataforma CAD que utiliza computação paramétrica, criando
formas tridimensionais a partir de formas geométricas básicas. Através do recurso de
Application Programming Interface (API), a sequência de elaboração de um desenho pode
ser gravada, visualizada e modificada através de linguagem BASIC de programação, o que
permite também que um programa desenvolvido nesta linguagem interaja com a
plataforma CAD, executando comandos e realizando desenhos previamente programados.
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O Solid Works é desenvolvido e distribuído pela Dassault Systemes S.A. deste 1997,
quando esta adquiriu a SolidWorks Corporation, criador do software. Esta permite que as
peças e projetos nela desenvolvida sejam exportados e testada através do Método de
Elementos Finitos. Com isto, este software é um dos mais utilizados no desenvolvimento
de projetos em todo o mundo e encontra-se difundido em diversas empresas e centros de
pesquisas.
2.3. Desenvolvimento da rotina
Para desenvolvimento do conceito apresentado desenvolveu-se rotinas para geração de
desenhos de sistemas de engrenagens projetadas no programa computacional GearBox,
desenvolvido e implementado no LASID - Laboratório de Sistemas Dinâmicos da UFSJ Universidade Federal de São João Del Rei.
Nas Figuras 1 e 2 têm-se as telas de entrada de dados e de resultados dimensionais do
programa GearBox, respectivamente.
Figura 1. Tela de entrada dos dados do programa GearBox.
Utilizando como base o programa Engrena foram realizadas modificações e revisões
nas rotinas de cálculos do dimensionamento de engrenagens com o objetivo de melhorar o
funcionamento do programa e a interface com o usuário devido às constantes
modernizações pelas quais passam os computadores. Isso permite uma melhor visualização
nos computadores de última geração.
No programa GearBox são inseridos os dados do conjunto de transmissão de potência.
As rotinas de cálculo para dimensionamento de sistemas engrenados são executadas para a
obtenção dos dados dimensionais do par de engrenagens e das árvores de transmissão de
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potência. Com os novos comandos, o desenho dos pares engrenados são gerados na
plataforma CAD escolhida.
Figura 2. Tela de saída das dimensões do par de engrenagens do programa GearBox.
A rotina utilizada foi desenvolvida a partir de um exemplo didático de
dimensionamento de engrenagens “Elementos de Máquinas”, do autor Sarkis Melconian.
Inicialmente os dados do exemplo foram inseridos no programa GearBox e os cálculos de
dimensionamento foram realizados. Com os dados de saída do programa, foi desenhado o
par de engrenagens na plataforma CAD, sendo as duas engrenagens desenhadas de formas
iguais, obedecendo a uma mesma sequência. Este processo de desenho das engrenagens foi
registrado através do recurso de API, que permite a gravação dos comandos que estão
sendo utilizados no desenho do componente no ambiente BASIC, isto é, cada comando
utilizado para desenhar a engrenagem do exemplo foi registrado na sequência correta e
com os comandos apropriados de acordo com o ambiente de programação BASIC.
Partindo da rotina gravada, foi visualizada a mesma, utilizando o Visual Basic 5.0,
modificou-se para ser utilizada com qualquer dimensionamento realizado no programa
GearBox. Assim, os valores numéricos do desenho realizado foram substituídos por
variáveis, as quais os valores obtidos nos cálculos do programa são atribuídos. A rotina de
criação da engrenagem foi importada para a o código fonte do GearBox. Então a
declaração de variáveis foi adequada, os comandos mais relevantes foram identificados e
modificados de forma que, quando as dimensões do par engrenado forem extraídas na tela
mostrada na Figura 2 e o comando de geração do desenho for executado, estes valores
sejam atribuídos da forma correta e no momento correto no desenho, gerando o resultado
esperado.
No teste desta rotina desenvolvida, mostrou-se necessária a criação de um modelo a
partir do qual o desenho da engrenagem seria desenvolvido. Para atender a esta
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necessidade, desenvolvemos um desenho base, denominado template. Este foi criado e
salvo conforme o tipo de componente que se deseja desenvolver. Assim, no caso estudado,
existe um template para cada tipo de engrenagem, parafuso sem-fim e árvore que podem
ser trabalhados com o GearBox. A partir da modificação destes, é possível desenvolver
qualquer tipo do componente com qualquer dimensão. A Figura 3 exemplifica o template
utilizado para a geração do desenho de engrenagens cilíndricas. Os principais parâmetros
para a finalização do desenho são os diâmetros internos, de base, primitivo e externo, o
módulo, o número de dentes, o passo e a espessura da engrenagem. Todos estes parâmetros
são extraídos diretamente do dimensionamento realizado, sendo desnecessária a
interferência do usuário no desenho.
Figura 3. Template utilizado para a geração do desenho de engrenagens cilíndricas.
Nos testes da rotina desenvolvida, observou-se que a introdução dos dados
dimensionais da engrenagem que deseja-se obter no template deveria obedecer a uma
sequência, na qual os valores de diâmetros menores do corpo da engrenagem são
introduzidos antes dos valores maiores. Assim, o diâmetro interno é o primeiro a ser
modificado no template de geração da engrenagem, sendo posteriormente introduzidos os
valores do diâmetro base, diâmetro primitivo e, por último, diâmetro externo. Esta ordem é
necessária para que a forma do dente da engrenagem seja mantida.
Após o corpo da engrenagem modelo ser modificado, são introduzidas as dimensões
dos dentes da engrenagem, que é influenciado pelo diâmetro primitivo e pelo módulo da
engrenagem. Utilizando-se os fatores determinados no Odontógrafo de Grant e o diâmetro
primitivo, podemos desenhar a forma de dente de engrenagem com as características ideais
para o tamanho e número de dentes determinados ao par engrenado.
3.
RESULTADOS
A rotina desenvolvida e implementada em um programa para testes apresentou os
resultados desejados, sendo os componentes desenhados com perfeição e em pouco tempo.
O componente apresenta as dimensões estabelecidas no programa GearBox e não há
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irregularidades de desenho. A peça está pronta para a realização, por exemplo, de
simulações computacionais ou aplicação em uma montagem com os outros componentes
do sistema para teste de interferências.
Na Figura 4 tem-se o desenho final de uma engrenagem cilíndrica de dentes retos
gerado através do programa GearBox.
Figura 4. Engrenagem cilíndrica de dentes retos gerado através do programa GearBox.
Com a rotina criada e implementada, o desenvolvimento de projetos pode ser facilitado
e realizado em menor tempo e de forma mais eficiente. Com o ganho de tempo, é possível
simular mais modelos, o que agrega maior qualidade e menos erros, uma vez que
superdimensionamentos podem ser saneados.
A interface do CAD com os diversos programas de aplicação do Método dos
Elementos Finitos possibilita a melhoria dos resultados obtidos com o programa de
dimensionamento. Devido à complexidade e demora da aplicação deste método em
projetos, a utilização de outras ferramentas para a melhoria e agilização do
desenvolvimento apresenta um resultado mais expressivo. Resultados precisos e o desenho
elaborado de forma rápida e totalmente coerente com os cálculos dimensionais realizados
podem diminuir o número de simulações e, em alguns casos, pode tornar desnecessária
este tipo de simulação, de acordo com a confiabilidade do programa desenvolvido.
4.
DISCUSSÃO
De acordo com Ibbotson (1997) os programas computacionais para projetos são
individualizados quanto a suas funções, por exemplo, as plataformas CAD são programas
apenas para desenho e simulação. Softwares semelhantes ao GearBox integram vários
recursos para o desenvolvimento de projetos, pois é um software desenvolvido em Visual
Basic que dimensiona sistemas engrenados, que possui comunicação com uma plataforma
CAD.
O programa desenvolvido neste trabalho reduz as chances de erros quando da
elaboração de um projeto, pois controla parâmetros de cálculo importantes na definição do
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sistema de engrenagens. Isto ocorre devido à elaboração do programa ser realizada através
de um estudo focado no componente trabalhado, enquanto que em sua formação e
vivência, o engenheiro não possui uma especialização em determinado componente, e sim
em todo o projeto. Por outro lado, faz necessária a análise de um engenheiro para que o
resultado obtido seja validado como um projeto aplicável.
Para o desenho dos dentes de engrenagens foi utilizado o método do Odontógrafo de
Grant para o traçado da evolvente e da trocoide que formam o dente das engrenagens. Este
método utiliza uma tabela que relaciona o diâmetro primitivo da engrenagem com o
formato do dente. A aplicação deste método se faz necessária devido à complexidade da
equação das curvas evolvente e trocoide, sendo ainda mais difícil sua iteração com a
plataforma CAD.
5.
CONCLUSÕES
Neste trabalho foi desenvolvida uma rotina para geração automática de desenhos em
plataforma CAD. Através de rotinas previamente determinadas para o desenho,
implementou-se uma forma de generalizar sua aplicação a diversas geometrias de uma
mesma família de componentes mecânicos.
As principais dificuldades encontradas foram na determinação de forma do template,
na sequência que o desenvolvimento do desenho deveria seguir e no método para desenho
dos dentes de engrenagens, no caso da rotina aplicada especificamente ao programa de
dimensionamento de engrenagens.
Agradecimentos
Os autores expressam seus sinceros agradecimentos à UFSJ - Universidade Federal de
São João del Rei e a FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas
Gerais pelo concessão da bolsa de Iniciação Científica.
6.
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DIREITOS AUTORAIS
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