Ingeniería inversa aplicada a la creación del modelo

INGENIERÍA INVERSA APLICADA A LA CREACIÓN DEL MODELO
DIMENSIONAL DE UN AVIÓN
Autor: Boreux, Catherine.
Autor: Pirson, Etienne.
Director: Sáenz Nuño, Marian.
Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas.
RESUMEN DEL PROYECTO
Este trabajo es asombroso a primera vista dado que se trata de una modificación del
dibujo que parecería bastante fácil realizar directamente con unas normas buenas. Sin
embargo, se trata ante todo de una técnica que permite obtener un dibujo preciso con la ayuda
de un modelo cualquiera. Esta técnica esta desgraciadamente muy difundida en las empresas
que realizan copias de modelos, demostrando su eficacia en el mercado, con el fin de
conseguir excelentes resultados a menores costes.
Sin embargo las posibilidades de copia son limitadas por las capacidades técnicas de los
sistemas informáticos o de medida utilizado. Las piezas copiadas pueden alcanzar un buen
nivel de precisión si la empresa posee recursos económicos grandes para invertir en tales
máquinas. El siguiente problema reside en la manera de fabricar la pieza. Por muy bueno que
sea el plano copiado, cada empresa posee sus secretos de fabricación.
Nuestra intención no es dedicarnos al robo de ideas o invenciones. Este método también
se utiliza en aeronáutica con el fin de observar los cambios sobre una pieza después de varios
números de pruebas o simplemente después del desgaste natural y así poder obtener una base
de datos sin necesidad de conservar las piezas antiguas.
Objetivo:
El objetivo del trabajo consiste en redimensionar de forma precisa un objeto
previamente dibujado con la ayuda de un programa de diseño industrial (Solidworks).
Para hacerlo, comenzamos con unas tomas de medidas aproximadas de nuestro modelo
reducido de avión, con la ayuda de instrumentos metrológicos tales como calibre o pie de rey.
El objetivo buscado en ese momento inicial no era obtener un modelo perfecto y preciso, sino
solamente obtener una primera aproximación y poder utilizarla y modificarla en el programa
CALYPSO.
El ensamblaje del avión consistió así en la unión de todas las piezas constitutivas del
mismo, internas o externas. Las alas constan de pequeñas piezas que descompusimos y
dibujamos una a una.
En la etapa siguiente, creamos las posiciones de las uniones en los planos, y así con cada
pieza por separado. Entonces tuvimos que escoger los planos de referencia necesarios para la
utilización de la máquina 3D. En efecto, cada medida en metrología con la ayuda de una
máquina 3D se hace respecto a referencias. Quedaba entonces por decidir el número de
medidas mínimo necesario para cada pieza / superficie medida. Un número demasiado grande
de medidas es una pérdida de tiempo inútil y también fuentes de error o incertidumbre.
Con el fin de conocer mejor la metodología de medida, estudiamos las normas relativas
a la medición con tridimensionales.
Tuvimos a nuestra disposición una máquina del tipo "MMC de puente móvil”. Esta
máquina debe ser recalibrada antes de su utilización según las normas.
Antes de poder realizar las medidas sobre la máquina, tuvimos que desarrollar las
estrategias de medición y las simulaciones por ordenador. Esto tuvo por objetivo verificar qué
las estrategias eran correctas, es decir, que era posible alcanzar cada punto de medida con el
palpador adecuado.
Es necesario definir cada parte del montaje/pieza en función de su forma (cilindro, cubo,
plano). Debemos palpar un mayor número de puntos para definir un cilindro que para un
plano. Sin embargo, el programa puede cometer errores reconociendo una forma elipsoidal en
vez de una forma cilíndrica. En este caso era posible obligar la forma del elemento
geométrico deseado.
Después de haber medido todas las piezas, hubo que realizar las medias y calcular las
incertidumbres de éstas. Pudimos concluir a partir de las incertidumbres calculadas de los
elementos geométricos, la forma real de la pieza medida.
Calibración:
Con el fin de obtener los mejores resultados posibles y según la norma, tuvimos que
recalibrar el palpador de la máquina 3D.
El objetivo de la calibración es determinar la fuerza aplicada sobre la pieza y la
compresión elástica que resulta. Con el fin de calibrar cada palpador, medimos la fuerza de
presión ejercida por cada uno de ellos sobre una pieza previamente dibujada bajo Solidworks.
La pieza se coloco sobre una balanza y la presión (en g) se midió en cada dirección y esto,
para cada palpador. Cada medida se tomó tres veces al menos para reducir los errores.
Incertidumbres:
Para obtener resultados con respecto a las medidas iniciales, comparamos éstas con los
valores de las medidas obtenidas en el laboratorio. Con la MMC, tomamos todas las medidas
tres veces. Para cada plano, cilindro, cono,... calculamos la variación de planitud. Hicimos una
comparación con el valor inicial y la media de estos tres valores. A continuación calculamos
las incertidumbres con relación a estos resultados.
Conclusión:
Comparamos los resultados y nos dimos cuenta de que en general, estos son bastante
buenos. Nos sorprendimos con algunos de los valores de incertidumbres, por ser demasiado
grandes. Cuando la incertidumbre sobre la valor inicial es > 10%, intentamos ver de dónde
venía el error. Esto lo hicimos para cada una de las partes del avión.
Es necesario tener en cuenta aspectos que influyeron mucho sobre los resultados. El
hecho de que el avión sea de madera y que por el uso tiene defectos sobre sus superficies.
Debido a estos defectos, las planitudes eran a veces muy variables. Había también influencias
debidas a la fijación del avión. Debido a su geometría, no era sencillo mantenerlo
completamente rígido y el material auxiliar utilizado para fijarlo no era tampoco el mas
adecuado. Con esta clase de máquina, como lo explicamos, es necesario tener cuidado con las
vibraciones y a las variaciones de temperatura. Teniendo en cuenta todo esto, los resultados
son muy satisfactorios y a la altura de nuestras expectativas.
Líneas futuras:
Este proyecto realizado podría profundizar y continuar en la misma línea, analizando las
piezas y dibujando éstas perfectamente. Podría rehacerse con otras estrategias y recurriendo a
sistemas múltiples de ejes diferentes para cada pieza.
Requerimos mucho tiempo para comprender el modo de funcionamiento y la lógica que
hay que utilizar para la medida 3D. Si tuviésemos que continuar tal proyecto, sería mucho
más fácil, ahora que comprendimos y asimilamos el desarrollo de las operaciones. Así como
en todo trabajo de ingeniero industrial, una base sólida de teoría pero también de práctica es
necesaria para la buena comprensión industrial de los métodos utilizados.
La etapa que seguiría la mejora de nuestras medidas sería volver a dibujar las piezas con
las medidas precisas. El único obstáculo presente es el cambio de tamaño de los dibujos entre
Calypso y Solidworks y la consiguiente dificultad de edición.
INVERSE ENGINEERING APPLIED TO THE CREATION OF THE
DIMENSIONAL MODEL OF A PLANE
This project seems to be amazing at the first glance, for it is a question of the
modification of drawing that should be quite easy to complete directly with the good
procedure. Nevertheless, the goal is to obtain precise results (drawings) from every drawing.
This technology is widely used in the companies creating copies of models that have
demonstrated their efficiency on the market, obtaining excellent results with minor costs.
However, the possibilities of creating copies are limited by the technical capacities of
the computer systems or of the measurement. The copied parts can reach a good level of
precision if the company possesses big financial means to invest in such equipment. The
problem resides in the way of making the parts themselves. As well as the drawing will be
copied, every company possesses its own process of manufacturing to stay the best.
Of course, we do not think to steal ideas or inventions from others. This method is also
used in aeronautics in order to collect data on the changes that occur on a part after several
tests or wear and tear without preserving the old pieces.
Aim:
The object of our project consists of re-sizing precisely an object previously drawn with
the help of an industrial design’s software (Solidworks).
To accomplish this, we began with bare measurements of our airplane model using
metrology equipment such as calibre or foot with wing. The aim of this initial step was not to
obtain a perfect and precise model, but only to obtain the first draft that could be used and
modified in the software CALYPSO.
The assembly of the airplane consisted of the union of every part of the airplane, internal
or external. The wings were composed of small parts that we separated into elements and
drew one by one.
In the following stage, we created the plans of the assembly and of every part separately.
Then we had to choose the reference planes required for the usage of the three-dimensional
(3D) machine. Indeed, every measurement in metrology with a 3D machine has to be done
from the reference system. The next step was to define the minimal number of measurements
necessary for every part/surface. Too many measurements were a waste of time and also a
source of mistakes or uncertainty.
In order to improve our knowledge of the measurement methodology, we studied the
specifications and standards relative to the measurement with 3D machines.
We had a 3D machine " CMM mobile bridge " during our project. We recalibrated this
machine before its use according to the procedure.
Prior to collecting the measurements on the machine, we processed the strategies and the
simulations on computer. This had for object to verify if the strategies were correct, which
means, to see if it was possible to reach every point of measurement with the suitable styli.
It was necessary to define every part of the assembly/part depending on its form
(cylinder, bucket and plane). We obviously took more points to define a cylinder that for a
plane. Nevertheless, the program could make mistakes recognizing an ellipsoidal form
instead of a cylindrical form. It is the reason why the program allowed forcing the form of the
wished part.
After measuring each part, we computed the averages and calculated their uncertainties.
Then, we could conclude according to the uncertainties calculated of planitud of the measured
parts.
Calibration:
In order to obtain the best results and according to the specifications, we recalibrated the
stylus of the 3D machine.
The aim of the calibration was to see the force applied on a part and the elastic
compression. In order to calibrate each styli, we measured the pressure exercised by each on
a part drawn with Solidworks. The part was placed on a scale, and the pressure (in grams)
was measured in every direction for each styli. Every measurement was taken three times at
least to reduce the mistakes.
Uncertainties:
To have results, we compared the initial measurements with the values of the
measurements with the 3D machine. With the CMM, we took all the measurements three
times. For every plane, cylinder, cone... we calculated the variation of planitud. We
compared with the initial value and the average of these three values of planitud. Then, we
were able to calculate the uncertainties with relation to these results.
Conclusion:
We compared the results and we were satisfied with the accuracy of the results. We
looked for the values with significant uncertainties. When the uncertainty was greater than
10% of the initial value, we tried to understand the mistake.
It was necessary to pay attention to certain aspects that greatly influence the results. The
fact that the airplane was made of wood and had already been used could be the cause of
surface defects. Due to these defects, the planituds were sometimes very doubtful. There was
also a problem for the fastening of the airplane on the table. Due to its geometry, it was not
easy to attach it completely. With this type of 3D equipment, it was required to pay attention
to the vibrations and to the variations of temperature, which were not always possible to
survey. Regardless, the results were very satisfactory and met our expectations.
Follow up:
Our project might be examined in more details following the same procedure. We drew
the parts without knowing perfectly the technology of CMM and Calypso. We might have remade other strategies to multiple systems of different axis for every part.
We lacked time nevertheless. We spent a lot of time understanding how 3D
measurement works. If we had to continue such a project, it would be much easier to improve
it as we now understand and assimilate the way of operations. In all industrial engineering
work, a solid base of theory and practice is required for the good comprehension of industrial
methods.
The next step to improve our measurements would be to re-draw the pieces with the
precise measurements. The only problem that occurs is the change of files type between
Calypso and Solidworks and the difficulty of edition due to this difference.