Realidade virtual empregada na prototipação de equipamentos

Por Antonio Valério Netto. Maria Cristina Ferreira de Oliveira (O). Intituto de Ciências Matemática e de Computação - ICMC/USP (M)

Introdução

Visando buscar novas formas de se obter melhorias organizacionais nas empresas e propiciar uma modernização do seu sistema produtivo, empregando equipamentos mais modernos e mão-de-obra mais especializada; alguns pesquisadores estão propondo a utilização de softwares baseados em realidade virtual para simulação de equipamentos, treinamento de funcionários, validação de planejamento de produção, visualização de layouts de fábricas e prototipação de produtos (Ressler, 1997).

É importante salientar que vários autores relatam o uso da realidade virtual para o ensino e treinamento comprovando a eficiência de se utilizar esta tecnologia para tal fim (Rosenblum, 1995).  Outros pesquisadores (Wittenberg, 1995) apresentam estudos realizados onde os resultados de treinamento obtido com o uso de realidade virtual são claramente superiores àqueles obtidos utilizando-se sistemas convencionais.

Para alguns pesquisadores, uma das áreas mais importantes da automação de projetos utilizando recursos de realidade virtual é a prototipação virtual (Leston, 1996). Vários deles expõem em seus trabalhos as justificativas do uso da prototipação virtual, principalmente na área automobilística (Dvorak, 1997). Existem também trabalhos que relatam as perspectivas da prototipação virtual no mercado, técnicas avançadas de modelagem de produto utilizando este novo recurso e alguns exemplos de aplicações industriais (Rix et al., 1995).

Mesmo tendo a área de entretenimento como alavanca para o interesse do grande público pela realidade virtual, a maior parte das tecnologias inovadoras ainda vem de setores comprometidos com o uso profissional. Com um software de desenvolvimento de ambientes de realidade virtual sofisticado permite-se modelar maquinários, veículos e dispositivos, visando simular o comportamento real do equipamento. Isto economizará dinheiro e ciclos de desenvolvimento, e permitirá que se realizem sessões de treinamento e validação com o produto virtual.

Por fim, o avanço das pesquisas na área de realidade virtual está proporcionando ferramentas de hardware e software cada vez mais poderosas como: capacetes, luvas e óculos mais leves e com mais recursos.  Isto está ocasionando um maior interesse por parte dos vários segmentos da indústria e um número crescente de usuários e de aplicações no mundo todo.

Visão geral do projeto

O projeto propôs um procedimento para a implementação de um protótipo de um torno CNC utilizando realidade virtual. Enfocando principalmente, seu sistema de intertravamento (funcionalidade) e seu modelo geométrico (design físico).

No caso, sistemas de intertravamento são responsáveis por detectar condições fora da área preestabelecida de trabalho ou seqüências impróprias, e aborta a ação em andamento ou então iniciar as ações corretivas necessárias (Dombrowski et al., 1991).

O intertravamento proposto é acionado à medida que for utilizando o equipamento, isto é, ao se abrir à porta do torno CNC durante uma usinagem ou quando ocorrer um erro ocasionado pela programação CN, por exemplo.  Isto permite ao usuário verificar qual o procedimento adotado pela máquina de acordo com a falha que ocasionou o erro. Muitos intertravamentos são acionados enquanto uma peça está sendo torneada, dessa forma, o projeto possui também a visualização e interação do funcionamento deste processo, bem como a troca das ferramentas existentes no porta-ferramentas e a animação do surgimento e retirada de cavacos, e do líquido refrigerante. Porém existem intertravamentos para aquelas situações onde as falhas ocorrem devido a problemas de hardware, é o caso das falhas: do freio do eixo-árvore, do sistema de alimentação de energia elétrica e dos sistemas hidráulico e pneumático do torno.  Para estes casos foi proposto um gerador de falhas de intertravamento (figura 1). 
  
 Este projeto além de auxiliar no desenvolvimento de um protótipo do equipamento em questão, também permite o treinamento de operadores para a manipulação desta máquina, sem os gastos com ferramentas e matéria-prima normalmente usados, sem os riscos de acidentes de trabalho e ainda com a possibilidade de treinar ao mesmo tempo vários operadores sem aumentar os custos finais.

O projeto utilizou como dispositivo de navegação e interação com o ambiente virtual um mouse, e como dispositivo de visualização um monitor de 17’ (Cathode Ray Tube) auxiliado por uma placa gráfica que permite aceleração na construção de polígonos. 

Este trabalho pode ser classificado quanto ao sentimento de presença, como não imersivo.  Pode-se afirmar também que o projeto permite uma sessão de realidade virtual interativa, isto é, proporciona uma exploração dirigida pelo usuário através do ambiente 3D e as entidades virtuais existentes neste ambiente responderão e reagirão de acordo com as ações do participante. Foi utilizado para implementação do intertravamento do torno CNC, um modelo apresentado em Lobão (1995). Este modelo teve seus módulos de intertravamento simulados e validados por diagramas lógicos e Redes de Petri. A seguir são mostradas na figura 2, detalhes da parte interna do torno CNC.

Conclusões

O procedimento para a implementação do protótipo do torno CNC utilizando realidade virtual foi efetuado satisfatoriamente, porém alguns pontos devem necessariamente ser salientados.

Com relação ao sistema de intertravamento (funcionalidade) proposto, a maior dificuldade foi a obtenção dos algoritmos e fluxogramas.  Pois estas formas de representação de informações seguem um padrão de lógica seqüencial enquanto que o modelo em Redes de Petri trata os dados de forma paralela, se aproximando bastante da linguagem Ladder utilizada na programação de CLP's industriais.

No caso do modelo geométrico (design físico) a dificuldade maior foi constatada com relação a velocidade de rendering do ambiente virtual. Quanto mais objetos gráficos eram colocados neste ambiente mais lento ficava a atualização do modelo gráfico. Isto pode ser notado quando o eixo-árvore está ligado, sua velocidade visual de rotação é muito mais lenta que a original desejada.    Está lentidão também prejudica a navegação interativa do usuário e o deslocamento de objetos móveis (porta, contraponto, etc.) no ambiente virtual.   Dessa forma é importante salientar que para ambientes com um número elevado de objetos é necessário uma placa aceleradora gráfica com um maior desempenho.

Um ponto positivo com relação ao software de desenvolvimento de ambientes virtuais, utilizado no projeto, é que sua forma de execução das rotinas funcionais se assemelha muito ao paralelismo que um intertravamento de uma máquina-ferramenta necessita, isto é, o ambiente permite a execução de vários procedimentos ao mesmo tempo, inclusive com a verificação contínua de diversas condições da máquina para posterior tomada de decisão. Um ponto negativo observado no projeto foi a ausência de uma "segunda mão" pois para trabalhar numa máquina-ferramenta, tendo apenas o mouse  para manipular os botões e o tarugo, é uma condição limitante.  No caso, as limitações foram desde apertar dois botões ao mesmo tempo, como é o caso do acionador de velocidade do carro porta-ferramentas que necessita apertar simultaneamente os botões de velocidade e de direção, quanto deslocar a peça usinada para fora do seu nicho, o que requer duas mãos para realizar tal procedimento.   A sugestão para uma continuação do projeto seria a utilização de datagloves para uma simulação mais próxima da realidade desejada (Valerio Netto, 1998).

Referências bibliográficas

DOMBROWSKI, L. R. et al. Separation of interlocking and regulatory control in progammable electronic systems, ISA Transactions, pp. 19-25, vol. 30, n. 4.,1991.

DVORAK, P. Engineering puts virtual reality to work, Machine Design, pp. 69-73, February,1997.

LESTON, J. Virtual reality: the it perspective, Computer Bulletin, pp. 12-13, June, 1996.

LOBÃO, E. C. Intertravamento de máquinas-ferramenta: proposta de roteiro para projeto em ambiente de manufatura flexível, Dissertação (mestrado), EESC-USP, São Carlos-SP, 175 Pp., Fevereiro, 1995.

RESSLER, S. Virtual reality for manufacturing - case studies, National Institute of Standards and Technology. http://www.nist.gov/itl/div894/ovrt/ projects/mfg/mfgVRcases.html (Setembro), 1997.

RIX, J. et al. Virtual prototyping - virtual environments and the product design process, IFIP Chapman & Hall, 348 Pp., 1995.

ROSEMBLUM, L. J. Mission visualization for planning and training, IEEE Computer Graphics and Application, pp. 12-14, September, 1995.

VALERIO NETTO, A. Prototipação de um torno CNC utilizando realidade virtual. São Carlos, 1998. 131p. Dissertação (Mestrado) – EESC, Universidade de São Paulo, 1998.

WITTEMBERG, G. Training with virtual reality, Assembly Automation, pp. 12-14, v.15, n. 3, 1995.