Diseño Industrial Por Computador

Diseño industrial por computador Rafael Ferré Masip

marcombo BOIXAREU EDITORES

P R O D U C T I C A

Diseño industrial por computador Rafael Ferré Masip

marcombo BOIXAREU EDITORES

P R O D U C T I C A

Colección «Prodúctica» Dirección técnica: José Mompín Poblet © MARCOMBO, S. A., 1987 Reservados todos los derechos de publicación en cualquier idioma por MARCOMBO, S. A. Gran Via de les Corts Catalanes, 594 08007 Barcelona (España)

No se permite la reproducción total o parcial de este libro ni el almacenamiento en un sistema de informática ni transmisión en cualquier forma o por cualquier medio, electrónico, mecánico, fotocopia, registro u otros métodos sin el permiso previo y por escrito de los propietarios del Copyright.

ISBN: 978-84-267-0665-2 Depósito Legal: B. 34.896-87 Impreso en España Printed in Spain Fotocomposición: FOINSA - Gran Via de les Corts Catalanes, 569 - 08011 Barcelona Impresión: Gràfiques Portavella, S. A. - Diputación, 427 - 08013 Barcelona

Presentación Con esta colección de libros, Marcombo pretende aportar a los técnicos y responsables de las áreas de producción de pequeñas y grandes empresas, unos textos eminentemente útiles para la actualización de estos profesionales. El cambio tecnológico y los nuevos sistemas de gestión, aportan nuevos elementos en los procesos de producción, que obligan a una permanente puesta al día de las personas responsables de los mismos en las empresas. Las Nuevas Tecnologías hacen que en menos de cinco años, un técnico se vea en la necesidad de reciclarse. Por otra parte, la actividad profesional en la empresa absorbe gran cantidad de tiempo y esfuerzo, dejando poco margen para el estudio y la capacitación en general. Los grados de competitividad que las empresas se ven obligadas a mantener en unos mercados cada vez más amplios y duros, requieren que la función innovación sea permanente, con la incorporación de todos los elementos tecnológicos y de gestión disponibles. Todo ello, significa constante información y actualización profesional, cada vez más frecuente. Marcombo, consciente del gran reto de la competitividad en la última gran etapa de este siglo, y de las necesidades y aspiraciones tanto de los técnicos expertos como de los más novicios, ha creado y lanzado los libros de la «Colección Prodúctica» con la intención de proporcionar a estas personas, a las empresas, y a las escuelas, unos manuales útiles que den respuesta a sus necesidades actuales. La idea de productividad total impregna los objetivos que cada libro se propone. Ésta, conjugada con el concepto de utilidad práctica, preside la preocupación de los autores, sin que se pierda en ningún momento la rigurosidad requerida. Los libros de la «Colección Prodúctica», pensados y preparados por cualificados expertos, representan un nuevo concepto editorial, pero, sobre todo, quieren ser una regular e importante aportación a estas generaciones de técnicos cualificados, que aspiran a mejorar su preparación profesional, contribuyendo asía la necesaria innovación tecnológica y al incremento de la productividad y de la competitividad de nuestras empresas. Josep M. Boixareu Vilaplana Editor

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Índice general

INTRODUCCIÓN ............................................................................. El ordenador y el diseño industrial .......................................... El ordenador en el proceso productivo ....................................... El diseño del producto asistido por ordenador ........................... El mercado del diseño por ordenador......................................... Conclusión ...............................................................................

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LOS EQUIPOS UTILIZADOS EN EL DISEÑO POR ORDENADOR . Introducción ............................................................................. Unidad central de proceso ....................................................... Memoria externa......................................................................... Dispositivos de salida .............................................................. COM - Computer Output Microfilm ............................................. Estaciones de trabajo ................................................................. Dispositivos de entrada de datos ............................................. El micro CAD..............................................................................

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SOFTWARE BÁSICO ...................................................................... Introducción ............................................................................. Sistema operativo .................................................................... Comunicaciones ....................................................................... Base de datos .......................................................................... Facilidad de manipulación .................................................... Asociatividad ........................................................................ Librerías ............................................................................... Recuperación del modelo. Repetibilidad y precisión .............. Operación interactiva ............................................................... Lenguajes: Comandos-macros-paramétrico........................... Utilidades para la entrada de datos ..................................... Menús .................................................................................. Entrada de datos ................................................................. Información on-line .................................................................

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CÓMO CREAR UN MODELO EN CAD ......................................... Introducción ............................................................................. Creación del modelo................................................................... Geometría básica ................................................................... Definición de superficies............................................................. Operaciones con superficies ................................................ Definición de modelos en tres dimensiones ............................... Ayudas a la construcción de modelos..................................... Almacenamiento del modelo ....................................................

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Índice general

Visualización de los modelos ................................................... Dinámica de pantalla .............................................................. Control de la visualización de la imagen .............................. Vistas múltiples .................................................................... Supresión de líneas ocultas ................................................. Iluminación del modelo .......................................................

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CÓMO OPTIMIZAR UN MODELO CAD .......................................... Introducción ............................................................................. Estudios sobre modelos matemáticos ........................................ Estudios geométricos .............................................................. Estudios cinemáticos .................................................................. Estudios estructurales ............................................................. Estudios de redes de distribución ............................................ Estudios de campos ............................................................... Comprobación de simulación de circuitos ................................ Cálculos y simulaciones específicas........................................... Experimentación sobre prototipos ........................................... Preparación del ensayo ........................................................... Ejecución del ensayo.................................................................. Análisis de los resultados ........................................................... Bases de datos de ensayos .....................................................

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CÓMO DOCUMENTAR UN MODELO POR ORDENADOR .... Introducción ............................................................................. El dibujo por ordenador ............................................................ Optimización del dibujo por ordenador ....................................... Codificación ........................................................................ Lista de materiales o de estructura del producto ........................ Documentación comercial .......................................................

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IMPLANTACIÓN DEL DISEÑO ASISTIDO POR ORDENADOR ... Introducción ............................................................................. Definición del equipo ............................................................... Selección del equipo................................................................... Adquisición e instalación del equipo ....................................... Definición y acondicionamiento de la ubicación del equipo ..................................................................................... Formación de operadores .................................................... Normas y procedimientos ...................................................... Librerías ............................................................................... Base de datos ...................................................................... Organización de ficheros ........................................................ Dibujo automático ............................................................... Planos anteriores a la instalación del CAD............................. Dibujo en dos dimensiones o tres dimensiones ................... Organización y control ........................................................ Factor humano ...................................................................

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APLICACIONES DEL CAD AL DISEÑO MECÁNICO ..................... Introducción .............................................................................

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Diseño industrial por computador

Fase de definición del producto: prediseño .............................. Fase de diseño y desarrollo ........................................................ Fabricación de prototipos ......................................................... Realización de ensayos y pruebas ............................................ El diseño mecánico en la pequeña y mediana empresa ....

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APLICACIÓN DEL CAD AL DISEÑO ELECTRÓNICO....................... 137 Introducción ............................................................................. 137 Dibujo del esquema eléctrico .................................................... 141 Simulación lógica .................................................................... 141 Asignación de funciones lógicas en componentes físicos ... 143 Diagrama de cableado ............................................................. 144 Comparación de redes ......................................................... 145 Simulación dinámica ............................................................ 146 Documentación ....................................................................... 146 Diseño de circuitos impresos ................................................... 146 Esquemas del circuito .......................................................... 147 Simulación del circuito ......................................................... 148 Diseño del circuito ............................................................... 149 Documentación ....................................................................... 150 Diseño de circuitos integrados ................................................. 150 APLICACIÓN DEL CAD A OTRAS ÁREAS INDUSTRIALES .......... El diseño por ordenador en las empresas de ingeniería .... Ingeniería civil ...................................................................... Ingeniería industrial .............................................................. Ingeniería de planta ............................................................... Ingeniería urbana .................................................................... El CAD en la industria textil ....................................................... El CAD en las artes gráficas .................................................... El CAD en los medios de comunicación .....................................

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Introducción

EL ORDENADOR Y EL DISEÑO INDUSTRIAL Al hablar de diseño, la imagen que acude a nuestra mente es la de un hombre frente a un papel en un tablero de dibujo, y en el papel, una serie de rayas que nos transmiten su idea; es decir, una mente creativa, un papel y un lápiz, como medio de comunicación. Sin embargo, en nuestras visitas a centros técnicos y de diseño, esta escena es cada vez menos frecuente. El diseñador actual está sentado frente a una pantalla, parecida a la de un televisor. Tiene delante un teclado, como el de una máquina de escribir, una botonera, una tableta y una especie de lápiz luminoso. Y en la pantalla se ve una imagen perfecta, como una fotografía, que se mueve y aparece desde distintos puntos de vista, de diferentes tamaños, como si una cámara de televisión la estuviera filmando.

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Aspecto de una oficina de diseño: un tablero, papel, lápiz y la creatividad del hombre.


Es decir, la misma mente creativa del diseñador, dispone y utiliza una herramienta mucho más potente para su trabajo, que le permite visualizar perfectamente su diseño, hasta el más mínimo detalle, sin necesidad de fabricar ningún prototipo. Puede analizar, estudiar, calcular y comprobar. En una palabra, optimizar su proyecto y dejarlo perfectamente definido, sin posibilidad de error en la interpretación de los planos. El ordenador se ha introducido en el área del diseño hasta tal punto, que está cambiando las formas, hábitos y procesos de trabajo de las ingenierías; desde el primer momento se ha utilizado en los centros de diseño, aprovechando su potencia de proceso y cálculo. Sin embargo, los sistemas carecían al principio de posibilidades de gestionar, con un tiempo de respuesta adecuado, elementos geométricos y gráficos. En la década de los 60, se empieza a utilizar software para gráficos, que permiten almacenar, manipular y visualizar información gráfica de forma interactiva en tiempo real. Se requerían ordenadores con gran capacidad de memoria y elevada velocidad de proceso, por lo que sólo las grandes empresas podían utilizar estas nuevas tecnologías.

El proyectista dispone de una potente herramienta de trabajo que le descarga de las tareas rutinarias y le permite desarrollar al máximo su potencial innovador.

En la década de los 70, la aparición de potentes miniordenadores junto con la optimización de paquetes de software gráfico permitió que, junto a los grandes sistemas, se desarrollaran equipos autónomos de diseño por ordenador, a un precio asequible para las industrias, aún las más pequeñas. Los años 80 ofrecen sistemas de diseño basados en ordenadores personales que, si bien no pueden facilitar todas las funciones gráficas avanzadas y complejas de los grandes sistemas, aportan una potente herramienta de trabajo a unos costes muy inferiores. 8

Introducción

Principales factores en el incremento de la productivida d.

EL ORDENADOR EN EL PROCESO PRODUCTIVO La incorporación del ordenador y la automática en prácticamente todas las áreas de producción, ha significado una segunda revolución industrial mucho más profunda y amplia que la proporcionada por la máquina de vapor. Nuestra época se caracteriza por una gran evolución tecnológica, con una rápida obsolescencia de los productos industriales. Por ello, se precisa de unas oficinas de diseño ágiles, que proporcionen nuevos productos, con mejores prestaciones, y con un tiempo de respuesta cada vez más corto. Las grandes empresas de automoción, hasta hace poco, medían en años los plazos de diseño de sus nuevos modelos; hoy día, estos mismos plazos, se miden en meses, y en recientes declaraciones del presidente de una de las más importantes compañías tienen como meta a medio plazo que la unidad de medida de los tiempos de diseño sea la semana. Por otro lado las empresas, especialmente las industriales, están en un mercado fuertemente competitivo, con un exceso de oferta sobre la demanda. Se precisa, por tanto, disponer de mejores productos, con mayores prestaciones y menor coste. Es necesario, en resumen, mejorar la productividad, por lo que la incorporación de nuevas tecnologías se demuestra como el medio más efectivo de conseguirlo. La demanda es cada vez más selectiva al tiempo que los fabricantes amplían la gama de sus productos, y disminuye el tamaño de las series de fabricación. Todo ello hace necesario disponer de un diseño y una fabricación más flexible, más sencilla de cambiar y adaptar a otros modelos. Nota del Editor: La mayor parte de las ilustraciones de este libro han sido realizadas por Lourdes Plana e Isidro Donadeu, con ayuda de un computador (CAD).

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La incorporación plena del ordenador y la automática en todas las áreas de producción supone una profunda revolución industrial.


Para responder a estas exigencias, se analizan a fondo dos sistemas y procedimientos de producción. Se pone de manifiesto que los plazos, más que de los tiempos directos de ejecución, dependen básicamente de los tiempos de espera entre operaciones, y que una parte importante del coste total corresponde a los costes indirectos y de estructura. Así pues, si bien se emprenden acciones para reducir tipos y costes directos, se pone mucho más énfasis en el estudio y aplicación de técnicas que reduzcan el plazo de espera, tiempos muertos, y agilicen y flexibilicen todas las etapas del ciclo de un producto. Así, en la primera etapa del ciclo, la del DISEÑO DEL PRODUCTO, el ordenador se incorpora a través de un software gráfico que permite crear, manipular, y representar productos en dos y tres dimensiones (2D, 3D), naciendo la tecnología CAD (Computer Aided Design) o en castellano DAO (Diseño Asistido por Ordenador). También se habla del CADD (Computer Aided Drafting and Documentation —Dibujo y Documentación Asistida por Ordenador), y del CAT (Computer Aided Testing — Pruebas Asis tidas por Ordenador), así como del CAE (Computer Aided Engineering— Ingeniería Asistida por Ordenador), el cual incluye otros aspectos del diseño, como cálculos, especialmente el estructural por elementos finitos —FE (Finit Elemente); la planificación y control de proyectos; la codificación y estandarización —GT (Group Technology—Tecnología de Grupos), etc. La segunda etapa del ciclo es la INGENIERÍA DE PROCESO que, una vez definido el producto, estudia y establece los medios —máquinas, herramientas, utillajes —y los métodos y tiempos de fabricación. El ordenador, apoyado en software de simulación de mecanizado, es una herramienta potente en manos del técnico, creándose el llamado CAM (Computer Aided Manufacturing) o en castellano FAO (Fabricación Asistida por Ordenador), tecnología que incluye también la aplicación del ordenador al taller. Ciclo de un producto. Fases de diseño y producción.

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Introducción

Ciclo del producto. La automatización y la utilización del ordenador tiene lugar en todas las etapas.

La organización industrial en vigor hasta la fecha establecía grupos orgánicamente distintos para ingeniería del producto e ingeniería del proceso, separación que ocasionó en muchos casos graves problemas de comunicación. Desde el punto de vista funcional es, a menudo, difícil establecer esta separación, y es evidente que una estrecha colaboración entre ambos, tanto en el momento del diseño como en el de definición del proceso de fabricación, supone grandes beneficios. El ordenador facilita esta integración, al compartir bases de datos comunes y facilitar la comunicación entre ambos grupos. Hoy día, prácticamente nadie habla de CAD y CAM por separado, ya que se utiliza el CAD —CAM como una única tecnología a incorporar simultáneamente, y en general creando un único grupo de trabajo, que incorpora la ingeniería del producto y la del proceso. En la tercera etapa del ciclo, FABRICACIÓN Y MONTAJE, el ordenador se incorpora directamente en las máquinas, como elemento de monitorización y control. Con ello, se crea el CNC (Computer Numerical Control) apoyado en máquinas NC (Numerical Control—Control numérico): los sistemas de alimentación automática, la robótica y los procesos administrativos de planificación y control PPC (Product Planning Control) — Planificación del Producto Asistido por Ordenador). En la cuarta etapa del ciclo, la de VERIFICACIÓN Y CONTROL DE CALIDAD, el ordenador se acopla a máquinas de medición y prueba, de forma que automatiza los controles y asegura una gran uniformidad en la producción. Esta técnica recibe el nombre de CAI (Computer Aided Ins pection — Verificación Asistida por Ordenador). La conjunción de todas estas técnicas en una sola tecnología, nos lleva al CIM (Computer Integrated Manufacturing—Fabricación Integrada por Computador). Según ella, el ordenador, o una red de ordenadores comu11

La incorporación de la tecnología CAD-CAM facilita la integración entre las ingenierías de Producto y de Producción.


nicados entre sí, apoyados en una base de datos única para todas las áreas, asiste y controla toda la producción en todos los aspectos (materiales, máquinas, hombres, pesetas). Así nacen también los conceptos de FA ( Full Automation — Automatización Completa) que apoyada en la FMS (Flexible Manufacturing Sistem— Sistema de Fabricación Flexible), nos presentan las fábricas del futuro, sin papeles, sin operarios directos, funcionando totalmente automatizadas, de la misma forma que ya hoy día funcionan los grandes complejos químicos. Las tecnologías CAD-CAM representan hoy un mercado de unos 4200 millones de dólares, con un crecimiento anual del orden del 28 °/o y están aún muy lejos del punto de saturación. Esta enorme cifra de negocio, hace que las multinacionales del área, redoblen sus esfuerzos para conseguir cada día sistemas mejores y más baratos, que estén al alcance de todas las empresas por pequeñas que éstas sean.

El CIM es hoy día más una filosofía que una realidad industrial. Consiste en la automatización e integración de todas las fases de producció n.

El CIM puede considerarse hoy más como una filosofía, un punto de mira, un objetivo a alcanzar, que como una tecnología ya implantada, si bien las experiencias en áreas concretas son ya una realidad. Entre ellas quizás la más extendida es el CAD, es decir, el diseño asistido por ordenador. Pero, ¿puede realmente el ordenador aplicarse en un área especialmen-

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Introducción

te creativa como es el diseño? Pues sí. Estudios recientes entre varias empresas de ingeniería, han puesto de manifiesto que de todo el trabajo de un proyectista, sólo de un 5÷10% según especialidades, es trabajo creativo; el restante 90÷95% de su trabajo, es de tipo mecánico y repetitivo, en cuyo caso un ordenador puede prestarle gran ayuda. Prácticamente todas las ingenierías y los departamentos de diseño de las grandes y medianas empresas trabajan actualmente con CAD, en mayor o menor grado de implantación. Gráfico del resultado del análisis funcional del trabajo de un proyectista. El trabajo creativo representa sólo un 10% del total.

En los últimos años, a medida que los costes han sido más asequibles, se han incorporado también a esta tecnología empresas pequeñas e incluso profesionales independientes. Consiguiendo grandes mejoras en plazos y en productividad, aunque se ha cosechado también garandes fracasos. Estos últimos, en general, se han presentado en aquellas aplicaciones que han olvidado que en diseño, continúa siendo el hombre, el proyectista, el elemento fundamental; el ordenador no es más que una herramienta, muy potente, pero herramienta al fin y al cabo, y como tal, supeditada al hombre. En el estado actual de la aplicación de la tecnología, no existe el diseño por ordenador; sólo existe el diseño por el hombre asistido por un ordenador, que le simplifica la tareas rutinarias, le permite analizar y estudiar más soluciones. En una palabra, le permite obtener un diseño mejor, más económico y en menos tiempo. EL DISEÑO DEL PRODUCTO ASISTIDO POR ORDENADOR El proceso de diseño del producto se puede descomponer en las siguientes fases: 13


Fases del diseño de un produc to desde su concepción hasta su documentación.

— Definición del producto — Creación de un modelo — Análisis y optimización del modelo — Construcción de un prototipo — Ensayos y optimización del prototipo — Documentación 1) En la definición del producto intervienen todas las áreas de la empresa: — Marketing, aporta las necesidades del mercado. — Ingeniería, el conocimiento de la tecnología en uso. — Fabricación, las posibilidades de obtención y aplicación de nuevas tecnologías de proceso. — Finanzas, costes y rentabilidad. Entre todos se especifican las características físicas y funcionales del producto, sus prestaciones, nivel de calidad y coste objetivo. Se define QUE producto queremos. 2) En la creación del modelo, ingeniería define formas, dimensiones, materiales, y efectúa los bocetos, maquetas, planos de conjunto y despiece. Se define el COMO vamos a conseguir el producto definido. 3) En la fase de análisis y optimización se aplican al modelo creado los métodos de simulación y cálculo de características y prestaciones que permiten prever su comportamiento en la realidad. Nos movemos todavía en el terreno de las ideas y del papel. Un proceso iterativo entre síntesis del modelo y análisis del mismo, nos conduce a una solución óptima tanto a nivel de todo el producto como de cada una de sus partes. Pero por muy buenos y completos que sean los métodos de simulación y análisis, es imprescindible, en muchas ocasiones, comprobar, mediante 14

Introducción

Ejemplo de análisis estructural por elementos finitos. Se aprecian las zonas más cargadas.

la construcción y prueba de un prototipo, que los resultados teóricos son los mismos que se obtienen en la realidad. Esta fase es la más larga y de mayor coste de todo el diseño. 4) La construcción del prototipo, en general por métodos artesanales, dado que todavía no se han definido los utillajes ni procesos de fabricación en serie, debe cuidarse especialmente para que los resultados, buenos o malos, obtenidos en los ensayos sean significativos y no debidos a una fabricación y montaje del prototipo no representativa del producto. 5) El ensayo del prototipo se efectúa de dos formas: — En los bancos de ensayo del laboratorio, mediante pruebas de simulación. — En la realidad, sometiendo el prototipo a las mismas condiciones de uso y durante el mismo tiempo a los que el producto de serie será utilizado por los compradores. De ambas formas, se comprueba si el producto cumple las especificaciones. Los fallos o carencias detectados se corrigen en los modelos, se modifican en los prototipos, y se vuelven a probar hasta conseguir el producto deseado. 6) En la fase de documentación se emite la información necesaria para la fabricación y comercialización: — Planos de conjunto y detalle — Listas de materiales — Normas para fabricación e inspección — Manuales de uso y mantenimiento — Fichas de características técnicas En los métodos tradicionales de diseño, la posibilidad de cálculos y 15


Para obtener con el CAD una productividad elevada, es preciso adaptar los sistemas y procedimientos de diseño a la nueva tecnología, aprovechando todas sus posibilidades.

análisis de los modelos teóricos son muy limitadas, por lo que la optimización del diseño se basa en la experimentación en funcionamiento real. Se prueba, se modifica, se vuelve a probar y otra vez a modificar, para así obtener el producto deseado. El proceso es muy caro, pero sobre todo muy largo. Al aplicar el ordenador al diseño industrial se pueden elegir dos alternativas: a) Adaptar el ordenador a los sistemas y procedimientos en uso en la

oficina. b) Adaptar los sistemas y procedimientos a la capacidad de cálculo, simulación y gestión que el ordenador proporciona. Si se elige la primera alternativa, es decir, se utiliza el ordenador sólo para mejorar los tiempos de ejecución, los resultados que pueden esperarse son escasos en cuanto a reducción de plazos, y pobres en cuanto a aumento de productividad. En cambio pueden obtenerse unas mejoras muy importantes si se aprovecha la gran capacidad de los sistemas actuales y se modifican los procedimientos de diseño, potenciando los métodos de creación y optimización de modelos, tanto por cálculo, en especial por elementos finitos, como por simulación teórica o en bancos de ensayo, y limitando la prueba real de prototipos a una comprobación de resultados. Comparación de costes y plazos de desarrollo en un diseño por medios convencionales y por CAD.

Así pues, un sistema de diseño por ordenador constaría de unos programas —software— que permiten: 1) Construir, manipular y visualizar modelos geométricos del producto en 2 o 3 dimensiones según se precise, tanto a nivel de conjunto como de detalle de cada una de sus partes. 16

Introducción

Comparación entre el diseño tradicional y el asistido por ordenador. La optimización del modelo en la fase de análisis y cálculo simplifica y acorta la fase de experimentación.

2) Estudiar y analizar problemas geométricos de interferencias, juegos, estudio de espacios, visibilidad etc.; problemas cinemáticos de barridos, velocidades y aceleraciones; problemas dinámicos de cálculo estructural, fatiga, transmisión de calor, circulación de fluidos, simulación de circuitos; y en general, todo tipo de cálculo y simulación que nos permite optimizar el modelo construido de cara a las prestaciones definidas. 3) Recoger, analizar y reducir los datos de las magnitudes que actúan sobre el producto: velocidades, aceleraciones, tensiones, temperaturas, ruidos etc.; para diseñar pruebas aceleradas en bancos de ensayo; garantizar por comparación de señales que la prueba efectuada es significativa; y recopilar y analizar resultados de los ensayos para comprobar que se ajustan a las especificaciones. 4) Obtener toda la documentación técnica necesaria, es decir: dibujar los planos de esquemas, conjuntos y despieces; obtener las listas de composición del producto; aplicaciones de piezas como punto de partida de la gestión de materiales de fábrica; producir los manuales de documentación técnica del producto, permitiendo la incorporación de figuras en el tratamiento de texto. Si la ingeniería de fabricación o proveedores disponen del equipo necesario, obtener un fichero magnético con toda la información necesaria para la fabricación de las piezas. 5) Gestionar todos los datos del producto y del proyecto a partir de una base de datos de planos de estándares, normas, resultados de pruebas que permita una buena estandarización del producto y normalización de los ensayos. Un buen sistema de codificación será una herramienta valiosa para localizar estudios o proyectos similares, que permita aprovechar al máximo las experiencias anteriores. Este software estará soportado por un hardware —elementos físicos— 17


constituido por el ordenador, la estación de trabajo del proyectista, unidades de memoria— discos y cintas— y periféricos gráficos— impresora y plotter para la obtención de listas y planos. Para la interacción hombre-máquina dispondrá de un software operativo, que permitirá el manejo de todo el sistema por un proyectista sin necesidad de conocimientos informáticos y utilizando un lenguaje y método operativo sencillo. Mejoras que pueden conseguirse con una buena aplicación del diseño por ordenador, según resultados de una encuesta entre usuarios europeos del CAD.

EL MERCADO DEL DISEÑO POR ORDENADOR El volumen del mercado del CAD-CAM a nivel mundial, fue en 1986 de unos 4.200 millones de dólares, con un crecimiento estimado para 1987 del 28%, y muy lejos todavía de su punto de saturación. En Europa, la cifra de negocio en 1986 estima en unos 1600 millones de dólares y en el Plan Electrónico e Informático Nacional se estimaba para España en 1986, un mercado de unos 6.700 millones de pesetas. Entre las áreas de aplicación destaca el diseño mecánico, con casi un 35 % del total del mercado, seguido por el sector electrónico con un 27 % y el de diseño civil con un 20%. El mercado, hasta los primeros años de la década de los 80, ha estado dominado por suministradores de equipos llave en mano; es decir, soluciones integradas hard y soft, exclusivamente dedicadas a CAD-CAM y soportadas por miniordenadores. En los últimos años estas empresas han perdido penetración en favor de empresas de grandes ordenadores de aplicación general con buenas aplicaciones gráficas, y de empresas de servicios que suministran paquetes de soft gráfico para procesar en miniordenador, microordenadores, y ordenadores personales, con los sistemas operativos más usuales. 18

Introducción

A partir de 1984 las principales firmas de equipos "llave en mano", desarrollan también aplicaciones de sus paquetes de soft en ordenadores personales, siendo capaces de resolver en ellos gran parte de los programas de CAD de dibujo, documentación y esquemas, quedando fuera de estos sistemas los programas que requieren una elevada capacidad de proceso o de memoria, como son el modelado sólido, y sistemas de simulación y cálculo. El mercado ofrece pues, sistemas de diseño por ordenador en un amplio abanico de prestaciones y costes: — Ordenadores personales con soft para dibujo y documentación a un coste del orden de 1 millón de pesetas. — Estaciones de trabajo sobre micros de 32 bits, con todos los periféricos necesarios y un soft que permite prácticamente todas las posibilidades de los grandes equipos, por un coste de unos 5 a 20 millones de pesetas. — Sistemas de tamaño medio de 4 a 8 estaciones de trabajo, con un soft completo, por un coste de unos 40 a 100 millones de pesetas. — Sistemas grandes, basados en ordenadores de aplicación general con gran número de terminales, y coste de cientos de millones de pesetas. Distribución del mercado mundial de CAD — CAM por aplicaciones.

Las tendencias del mercado son: — Desarrollo de sistemas abiertos que permitan la incorporación de soft de otras empresas y desarrollo de soft propio. — Sistemas distribuidos basados en estaciones de trabajo autónomas, conectadas en redes abiertas, es decir, que permitan la conexión de ordenadores de otras marcas y con protocolos de comunicación LSO/OSI. 19


— Terminales inteligentes que permitan, cada vez, la ejecución local de más número de funciones gráficas. — Sistemas con bases de datos integrados para todas las aplicaciones CAD-CAM y con potentes gestionadores de las mismas. CONCLUSIÓN La tecnología CAD —Diseño Asistido por Ordenador— es hoy de uso normal en oficinas de diseño de las grandes y medianas empresas en todo el mundo. En España son numerosas ya las empresas que utilizan esta tecnología. Es frecuente que las pequeñas y medianas empresas, subcontratistas de las grandes, reciban información gráfica a través de cintas o diskettes, sin planos, con geometrías tridimensionales o superficies complejas que sólo pueden ser tratadas si se dispone de equipos de CAD. El CAD ha superado ampliamente la fase de experiencia piloto, para convertirse en una técnica imprescindible para una ingeniería moderna y competitiva.

La aplicación correcta del CAD, permite obtener importantes aumentos de productividad, mejor calidad del diseño y un tiempo más corto. La experiencia obtenida sobre la amplia base instalada es la mejor garantía de estas mejoras. Los años transcurridos desde las primeras instalaciones, unos 25 años, permiten hablar ya de realidades industriales y no de resultados más o menos brillantes de experiencias piloto. Por todo ello es una tecnología que debe conocerse y estudiar su aplicación, incluso en empresas muy pequeñas. Hemos visto que la oferta económica es muy amplia y, en sus límites inferiores, accesible a todo el mundo. Pero para su correcta aplicación hay que considerar también el aspecto técnico. El personal de la empresa que debe utilizar el sistema, debe conocer las posibilidades del CAD. Es necesario que en la planificación previa a la adquisición del sistema se considere el factor humano y su preparación técnica, como base para una aplicación con éxito de esta tecnología. Y sobre todo a pesar de que, a veces, la publicidad comercial nos induce a creerlo, no pensar, ni por un momento, que al adquirir un sistema se va a disponer, sin más, de un producto diseñado por un ordenador, y por tanto inmejorable. El proyectista, el creador, continuará siendo el hombre, que dispondrá de una herramienta que le va a ayudar mucho, pero que, por sí sola, no es capaz de nada.

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Los equipos utilizados en el diseño por ordenador

INTRODUCCIÓN La expansión del uso del ordenador en las oficinas de diseño, ha tenido lugar cuando la industria informática ha sido capaz de proporcionar equipos en los que los proyectistas pueden trabajar en forma interactiva. En la aplicación clásica de la informática en ingeniería, se preparaban todos los datos e información necesaria para resolver un problema, y se introducía en el ordenador. Al cabo de unas horas, o al cabo de unos días, según fuera la carga de trabajo, el ordenador suministraba un resultado; es la forma de trabajo conocida como batch, trabajo en lotes. Si existía error en los datos, o bien al analizar el resultado, se modificaba algún parámetro, y si se precisaba efectuar un segundo cálculo, se repetía el proceso. A veces, obtener un resultado correcto significaba semanas e incluso meses de espera. Se comprende que esta forma de operar no es adecuada para un trabajo de diseño. El diseño, la creación y plasmación de un modelo, es un proceso continuo. Sobre el tablero de dibujo, el proyectista traza una línea después de otra. Debe saber dónde terminan unas para representar las otras; borra y repite, corrigiendo sobre la marcha formas y medidas. Al ir tomando cuerpo su idea, ésta se va concretando, modificando y adaptando a unas condiciones de entorno. De este modo se produce un flujo constante de información entre el papel y su mente. Sólo cuando la informática ha sido capaz de reproducir este proceso con unos tiempo de respuesta adecuados y a unos costes admisibles, se ha producido la incorporación real del ordenador al diseño. Para ello ha sido preciso: — Disponer de unos procesadores más rápidos y con más capacidad de memoria para elaborar la gran cantidad de datos que son necesarios para definir la geometría de un objeto. — Disponer de medios de representación gráfica de forma que el proyectista pueda ver, como mínimo igual que sobre el tablero, cómo se va construyendo su modelo geométrico. — Dotar al equipo de dispositivos de entrada y salida de datos, de forma que el proyectista pueda efectuar su trabajo de modo sencillo, interactivo y sin necesidad de conocimientos informáticos. La rápida evolución tecnológica en el campo informático ha hecho que la respuesta a estas necesidades, es decir, los equipos de diseño por ordenador, hayan sufrido un gran cambio desde su origen hasta la fecha. 21

El gran desarrollo de la microelectrónica permite disponer de potentes equipos de diseño, a unos precios asequibles para la mediana y pequeña empresa.


En los años 60, cuando se inició la aplicación de esta tecnología, sólo los grandes ordenadores tenían la capacidad necesaria para soportar el diseño gráfico. Las instalaciones de CAD estaban basadas en terminales gráficos —pantallas que permiten representar la imagen geométrica— conectados a un gran ordenador de aplicación general, que compartía su capacidad con el resto de aplicaciones de gestión y control administrativo. A finales de los años 60 los miniordenadores de 16 y 32 bits, a los que se incorpora procesadores gráficos especializados, configuran la oferta de unos equipos llaves en mano, dedicados únicamente al diseño, con una unidad central capaz de gestionar de 4 a 10 terminales gráficos. En los años 80, los microprocesadores de elevada capacidad de cálculo —4 y 5 Mips y memoria central de hasta 16 Mb—, a unos precios asequibles, permiten obtener unos equipos stand alone de diseño personal, totalmente autónomos, en los que pueden procesarse todas las funciones del diseño.

En el diseño asistido por ordenador la base continua siendo el hombre, con su imaginación y capacidad de síntesis y análisis.

Los microprocesadores, incorporados también a los terminales gráficos, dan lugar a una generación de terminales inteligentes, capaces de desarrollar funciones gráficas locales que descargan la unidad central, y permiten obtener unos tiempos de respuesta mejores. Aparecen también paquetes de programas-soft-gráficos, que permiten desarrollar parte de las funciones de diseño gráfico en ordenadores personales, especialmente los de dibibujo y documentación. Todos estos sistemas pueden comunicarse entre sí, formando una red local en la que un ordenador central cubra básicamente las funciones de gestión de la base de datos gráfica. Hoy día coexisten en el mercado una gran diversidad de equipos de 22


A medi ados de los años 80, ordenadores personales y micros constituyen el soporte más extendido para las aplicaciones de CAD.

diseño gráfico, desde el ordenador personal y la estación autónoma, al gran ordenador con decenas de terminales gráficos. Sin embargo, en todas ellas podemos identificar: — Unidad central de proceso-CPU — Memoria externa — Unidades de salida gráfica — Estaciones de diseño gráfico. UNIDAD CENTRAL DE PROCESO La unidad central de proceso —CPU— de un sistema de diseño actúa como el "cerebro" de la instalación. Gestiona todos los dispositivos y efectúa los cálculos matemáticos necesarios para soportar las funciones gráficas o de análisis. Si bien en los diferentes sistemas encontramos todo tipo de ordenadores, la tendencia actual es la utilización de mini o microordenadores de 32 23


bits, cuyas características dependen de su arquitectura. En general está formada por: — Unidad de control — Procesador aritmético-lógico — Memoria — Unidad de entrada-salida La unidad de control regula el flujo de datos en el sistema, accede a las instrucciones del programa y las decodifica, situándolas en los registros de instrucciones. El procesador aritmético-lógico recibe los datos y ejecuta las operaciones descritas en el registro de instrucciones. La memoria almacena las instrucciones del programa y los datos. La unidad de entrada-salida efectúa el movimiento de datos de y a las unidades periféricas, discos, cintas, impresoras. En muchas ocasiones se dispone la memoria como un elemento externo y se comunica con una línea de gran capacidad bus. Esta arquitectura permite añadir fácilmente más memoria. Simplemente se trata de conectar una tarjeta más. Para mejorar la precisión de cálculos, en general se añaden microprocesadores de coma flotante. Para desarrollar funciones gráficas complejas, algunos minis incorporan microprocesadores gráficos especializados. También en ocasiones, para mejorar tiempos de respuesta, se añaden microprocesadores de gestión de entradas-salidas. Dado que los programas de diseño, —software gráfico—, son muy grandes (los hay de 500.000 instrucciones), y el volumen de datos a manejar es muy alto, las características más importantes de la unidad central a tener Componentes básicos de la estructura de un ordenador aplicado al CAD.

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en cuenta en la selección de un equipo, supuesta la compatibilidad hard-soft, son: — Capacidad de memoria — Velocidad de proceso — Número de estaciones de trabajo y dispositivos de entrada-salida que puede soportar. MEMORIA EXTERNA Dada la extensión de los programas y la gran cantidad de datos a manejar, el sistema precisa disponer de dispositivos de memoria de acceso directo. En ella se van a almacenar programas, librerías, planos y listas de elaboración. La información necesaria para definir un plano oscila entre 20 kB y 1 MB. Con estas cifras no es posible, dentro de un nivel de costes razonable, pensar en disponer de una base de datos gráfica on line en donde estén accesibles, para consulta en tiempo real, todos los planos. Como dispositivos de acceso directo, se utiliza una amplia gama de variantes. Desde el diskette de 330 kB en los equipos personales, hasta una batería de discos de 500 MB en los grandes. Como características a tener en cuenta en la selección de equipo, mencionaremos: — Tiempo de acceso — Velocidad de transferencia. Todos los sistemas disponen también, en general, de una unidad de memoria secuencial tipo cinta o cassette, para carga del sistema, y funcioEsquema de una impresora matricial.

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nes de back-up, es decir, obtención de copias de seguridad de los ficheros y archivo magnético de la base de datos gráfica. DISPOSITIVOS DE SALIDA Los dispositivos de salida permiten obtener la información almacenada en la memoria del ordenador en forma asequible a los usuarios. En fábricas totalmente automatizadas esta información se transmitiría en ficheros magnéticos, o bien por la red de comunicaciones de un sistema de diseño por ordenador, a otro sistema de CAM. Pero lo más frecuente en el estado actual de implantación de estas tecnologías es que la transferencia de información se efectúe sobre papel: planos, gráficos, manuales y listas de materiales. Esquema de impresoras de cadena.

Hasta hace poco existía una clara diferencia entre los terminales de salida gráfica para dibujos y planos, conocidos con su terminología inglesa plotters, y las impresoras de salida alfanumérica para listas de materiales y demás documentación escrita. Ahora, a partir de la incorporación de nuevas tecnologías de impresión, junto con las impresoras y plotters clásicos (trazadores), existe una serie de máquinas capaces de cubrir perfectamente las dos áreas —trazados gráficos y textos—, que reciben el nombre de impresoras gráficas o impresoras-plotter. El mercado ofrece una gran variedad de impresoras. Desde la pequeña máquina personal de 20 caracteres por segundo de velocidad de impresión a la gran impresora láser de 1.000 páginas por minuto. En los últimos años el mercado ha sufrido una fuerte evolución, ofreciendo máquinas cada vez mejores, más rápidas, silenciosas, de mejor 26


Esquema de impresora de margarita.

calidad de impresión, con posibilidades gráficas y de color, y a unos precios cada vez más asequibles. En razón a la tecnología de impresión utilizada, podemos clasificar las impresoras en: 1) Impresoras de impacto 2) Impresoras sin impacto Las impresoras de impacto utilizan una técnica semejante a las máquinas de escribir. Se presiona una cinta entintada sobre el papel. Según el dispositivo de presión se clasifican en:

Esquema de impresora de chorro de tinta.

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a) Impresoras matriciales: Los caracteres se obtienen por combinación

de puntos grabados por unos estiletes situados en una cabeza de grabación. La calidad de impresión depende de la densidad de puntos por unidad de área. Tienen capacidad gráfica pero su calidad no es suficiente para utilizar en planos. En cuanto a su velocidad de impresión varía entre 20 cps y 400 cps. b) Impresoras de cadena: Los caracteres están grabados en una cinta

que gira a gran velocidad. Un martillo golpea sobre el carácter deseado. No tienen capacidad gráfica, son rápidas y de buena calidad de impresión. c) Impresoras de margarita: En ellas los caracteres están grabados en el

borde de una rueda —margarita—. No tienen capacidad gráfica, pero proporcionan una impresión de calidad excelente. Su velocidad de impresión es de 20 cps a 60 cps. Fotografía de un plotter de plumillas de tambor.

En las impresoras sin impacto no existe un mecanismo de percusión que actué sobre el papel. Todas ellas tienen capacidad gráfica y de color. Según la tecnología de impresión utilizada pueden clasificarse en: a) Impresoras de chorro de tinta: En las máquinas de chorro continuo

se proyecta un chorro de gotitas de tinta sobre el papel. El flujo de tinta se controla mediante cargas electrostáticas, que desvían el chorro cuando no se requiere impresión. En las de chorro discontinuo las gotas se proyectan sólo en el momento adecuado; en general se basan en los impulsos producidos en un transductor piezoeléctrico. Combinando 4-8 chorros 28


Esquema de movimientos de plotter de plumillas.

de distinto color, se consigue una gama casi continua de colores. La representación obtenida es por puntos, y su calidad depende de su densidad, desde 60 puntos por pulgada a 640 en las de alta calidad. b) Impresoras térmicas: Este tipo de máquinas utiliza rollos de cinta de

tinta sobre una base de cera que pasa por delante de una cabeza de grabación formada por una matriz de agujas electrónicas que al calentarse selectivamente funden la cinta de tinta sobre el papel. El color lo consiguen utilizando capas de tinta de distinto color. La calidad de impresión depende de la densidad de puntos: desde 60X72 puntos por pulgada a 300X300 en las de alta calidad. La velocidad de impresión varía de 40 a 120 caracteres por segundo. c) Impresoras láser: Este tipo de impresora es la más adecuada para la

obtención de manuales técnicos; es decir, documentos en los que se imprimen gráficos y texto. En general funcionan creando, mediante un rayo láser, una imagen electrostática de la página a imprimir en un tambor. Sobre los puntos del tambor cargados, se deposita una capa de tinta seca que posteriormente se funde y solidifica sobre el papel. La densidad de grabación es de 300X300 puntos por pulgada y su velocidad de impresión de 8 a 1000 páginas minuto. d) Trazadores gráficos o plotters: Los dispositivos de salida gráfica pue-

den clasificarse, por su utilización, en dos grandes grupos: — Plotters de alta calidad para la obtención de planos para la fabricación. — Hard-copy para sacar copias de los dibujos representados en la pantalla para uso del propio proyectista. No se precisa una gran calidad de dibujo. Como hardcopy se utilizan, en general, impresoras gráficas de chorro de 29


tinta, térmicas y matriciales, descritas en el apartado anterior. Se han utilizado también impresoras electrostáticas y ópticas. Entre las plotters las más utilizadas destacan: — Plotters de plumillas — Plotters electrostáticas En las plotters de plumas hay una o varias plumillas gobernadas automáticamente que se mueven en horizontal y vertical sobre una base de papel, poliéster o mylar. Se clasifican según la forma de soporte del papel en: — De rodillos: En éstas el papel continuo se enrolla y desenrolla entre dos rodillos y la pluma se mueve horizontalmente. Son en general las de menores prestaciones y precios más bajos. — De tambor: En ellas, el papel en hojas se enrolla sobre un tambor que gira. La pluma se desplaza horizontalmente. — De mesa: Las hojas de papel se colocan sobre la mesa del plotter y las plumas se mueven transversalmente, montadas sobre un puente que se mueve longitudinalmente. Son, en general, las de mayor calidad. Entre las características a tener en cuenta, podemos destacar: — Área de dibujo: Existen plotters desde A4 a doble AO, y aún mayores en aplicaciones industriales. — Número de plumillas: A mayor número más variedades de grosores de línea o de colores. — Tipo de plumilla: bolígrafo, rotulador, pl uma o lápiz. — Velocidad y aceleración de las plumillas. — Precisión estática y dinámica, que compara posición y trazo real, y el teórico programado. — Resolución o menor desplaz amiento programable. — Inteligencia local o capacidad de alterar o completar las instrucciones que recibe del ordenador. Esquema de un plotter electrostático en color.

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Este tipo de plotters, que son los que proporcionan una mayor calidad de dibujo, tienen como desventaja un elevado tiempo de ejecución y pocas posibilidades de textos y rellenado de figuras. Para la obtención de dibujo de alta calidad, con rapidez, con zonas sombreadas y con calidad de texto, se utilizan los plotters electrostáticos. En ellos el grafismo se obtiene por una sucesión de líneas transversales impresas sobre el papel que se mueve siempre en la misma dirección. Cada línea se marca electrográficamente mediante unos electrodos. Los puntos marcados serán capaces de retener la tinta que, una vez secada proporcionará el dibujo necesario. La alimentación de papel es continua. Como características fundamentales destacamos: Anchura del dibujo, resolución (puntos por pulgada), velocidad del papel, precisión, repetitividad e inteligencia local. En este tipo de plotters, si bien el tiempo de ejecución es muy corto, hay que tener en cuenta que previamente es preciso convertir el plano; que está definido por vectores, en las instrucciones que línea a línea nos reproducirán el dibujo —proceso de rasterización. El tiempo de conversión es, a veces, superior al de dibujo en plotter de plumillas.

Distribución del mercado de plot ter en colo r según tecnología de impresión utilizada.

COM - COMPUTER OUTPUT MICROFILM Un soporte de información gráfica cada vez más utilizado es el microfilm. En esta tecnología, los planos se fotografían en formato 36X48; se revela el rollo de película y se monta el microfilm sobre una tarjeta en la que previamente se han perforado e interpretado los códigos de identificación, tamaño del plano, y demás datos necesarios para su manipulación. Actualmente se ofrecen a precios asequibles, dentro del nivel de costes 31


Componentes de una estación de trabajo.

de los plotters de calidad, dispositivos que automatizan toda esta cadena de operaciones. Conectados directamente al ordenador se obtiene, por tecnología fotográfica con láser y con una perforadora y grabadora acoplada, la ficha microfilm totalmente terminada, con la cantidad de copias necesarias y con una calidad de definición de líneas inalcanzable con el método clásico. ESTACIONES DE TRABAJO La estación de trabajo es un conjunto de dispositivos, en la mesa del proyectista que constituyen su herramienta de trabajo en sustitución del clásico tablero y rotulador. Las funciones a desarrollar por la estación de trabajo son: — Facilitar la entrada de datos gráficos y alfanuméricos al sistema. — Generar interactivamente una imagen gráfica. — Transferir la información al ordenador central. — Transformar los comandos del ordenador en funciones operativas. Para desarrollar estas funciones, la estación de trabajo consta de: — Terminal gráfico de pantalla. — Dispositivos de entrada de datos. — Hardcopy o impresora gráfica, opcional, en el puesto de trabajo. El operador puede utilizar también la del sistema. En el mercado se ofrecen gran cantidad de terminales gráficos. El avance tecnológico consigue ofrecer constantemente imágenes de más calidad, con más posibilidad de colores, superposición de imágenes, simulación de movimientos y una mayor incorporación de inteligencia local para mejorar tiempos de respuesta. 32


La pantalla gráfica ofrece, en cada momento, al proyectista una representación del modelo en el estado de construcción en que se encuentra. Consta en general de cuatro partes: memoria de generación de imagen, controlador gráfico, generador de imagen y consola con pantalla. La memoria de imagen contiene los gráficos a representar, las instrucciones de creación de imagen y el programa del controlador. El controlador gráfico interpreta las instrucciones gráficas y lleva el control del generador de imagen, los dispositivos de entrada y salida y de la comunicación con la unidad central. El generador de imagen efectúa las señales eléctricas necesarias para representar en la pantalla las figuras geométricas para lo cual, y según la tecnología utilizada, dispone en algunos casos de una memoria de regeneración de imagen "frame buffer". La consola con la pantalla contiene los circuitos eléctricos de control de imagen y, en general, los dispositivos de interacción. En la gran mayoría de equipos se utilizan el tubo de ragos catódicos (TRO, para visualizar las imágenes gráficas. Es muy parecido al tubo de un aparato de televisión. En ellos, un cátodo al calentarse emite un chorro de electrones de alta velocidad, que incide sobre una pantalla de cristal recubierta de fósforo y genera un punto de luz. Un sistema de campos eléctrico y magnético permite desviar el chorro en todas las direcciones, así como modular su intensidad, con lo cual se obtiene en la pantalla la imagen deseada. Para generar la imagen se utilizan básicamente dos técnicas: — Vectorial — Barrido horizontal

Esquema de un trazado vectorial de la imagen.

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En el trazado vectorial el haz de electrones recorre las líneas que configuran el dibujo. En el barrido el haz recorre toda la pantalla. Esta se compone de pequeños puntos de fósforo pixels. El número de "pixels" por pantalla oscila entre 256X256 en los de baja resolución y de 1024X1024 en los de elevada calidad. Cada "pixel" se puede activar con distinta intensidad o brillo, o tener' distinto color en los terminales de color. El chorro de electrones recorre toda la pantalla en líneas horizontales activando los "pixels" necesarios. Al terminar de recorrer una línea pasa a la línea inferior. Cuando termina de barrer toda la pantalla el dibujo ya está completo y el haz repite el barrido entre 25 y 60 veces por segundo. Esquema de un trazado por rasterización.

Si bien estas dos técnicas son las más utilizadas en los equipos de diseño gráfico existen otros factores técnicos que conducen a una gran variedad de terminales gráficos. Los tres tipos de terminales más utilizados en los equipos actuales son: — Terminal de refresco vectorial — Terminal de memoria vectorial — Terminal de refresco de barrido El terminal de refresco vectorial utiliza la técnica de representación vectorial. El término de refresco se refiere a que la imagen debe regenerarse varias veces por segundo para conseguir una figura fija, sin parpadeo, dado que el brillo del fósforo sólo permanece fracciones de segundo. Si la imagen es muy compleja, es casi imposible evitar el parpadeo. Presenta la ventaja de que es muy fácil modificar los dibujos, así como dotarlos de movimiento. El terminal de memoria vectorial utiliza también la técnica vectorial 34


para reproducir la imagen. Pero, en este caso, el fósforo conserva durante tiempo el brillo por lo que no es necesario la regeneración de imagen. La imagen carece de parpadeo y se pueden añadir unos elementos al dibujo, pero resulta imposible borrar o modificar parcialmente el mismo. Debe borrarse toda la pantalla y volver a grabar el dibujo ya modificado; no dispone de posibilidad' de color ni de animación de pantalla, tampoco puede utilizar el lápiz luminoso para entrada de datos. El terminal de refresco —barrido— es el más utilizado hoy día. Emplea la técnica de barrido de la pantalla varias veces por segundo, de forma similar a como opera una pantalla de televisión. La diferencia básica es que la televisión utiliza las señales analógicas obtenidas en la fumadora, mientras que aquélla recibe señales digitales procedentes de un ordenador. La expansión de este tipo de terminal se ha visto hasta hace poco frenada por su elevado coste. Una pantalla de baja resolución de 256X256 precisa de 65.000 bits de memoria de imagen. En esta memoria cada bit contiene la información on-off en su correspondiente "pixel" en la pantalla, activado o apagado. En los terminales de más resolución (1024X1024 pixels), se precisa más de 1 Mbit para la página de memoria: Para terminales en color se precisan tres páginas de 1 Mbit, una para cada color básico, y algunos megabits adicionales para las distintas intensidades de cada color; 1 Mbit adicional para dos tonalidades, 2 Mbit para cuatro, 3 Mbit para 8. Así, un terminal gráfico a color de alta resolución precisa de una gran capacidad de memoria. Por ello han sido prohibitivos hasta nuestros días en que se han reducido drásticamente los costes de la memoria. La representación en color es una mejora sustancial para los modelos complejos. En algunos casos, es incluso imprescindible para poder interpretar el modelo. Hay varias tecnologías para la generación de imágenes en color. La más utilizada—tubos de máscara—, consiste en el barrido de la pantalla por tres haces que inciden sobre tres puntos de fósforo de color azul, verde y rojo, agrupados en tríadas (una tríada, un "pixel"). Por modulación de la intensidad de cada haz, se obtienen las tonalidades de color deseadas. Las pantallas de trazado vectorial disponen de capas superpuestas de fósforo de distinto color. La diferente energía de cada haz, puede activar las diferentes capas, tubos de penetración. La capacidad de animación, es decir, de reproducir en la pantalla movimientos de la imagen, está ligada con los métodos que permiten un rápido regrabado, o sea, a la tecnología de refresco. Para manejar I a gran cantidad de datos necesarios para animar la imagen se precisa disponer de una CPU potente y rápida. En las estaciones gráficas modernas se encarga esta función a un microprocesador en la misma estación de trabajo. Entre las características principales de una estación de trabajo destacamos: — La resolución o capacidad de distinguir entre trazados muy próximos. Depende del número de pixels por pantalla. Las de 19" de alta resolución disponen de 1024X1400 pixels. — La capacidad de direccionamiento, o sea, posibilidad de situar los 35

La perfección de la imagen obtenida en los terminales de color de alta resolución es comparable a la mejor de las fotografías.


puntos en un lugar determinado. — El ruido, es decir, la deformación o escalonado de líneas que aparece en pantalla debido al proceso discontinuo, en el tiempo y en el espacio, de generación de imagen. — El brillo, contraste y pureza de los colores. — Tamaño de la pantalla. — Paleta y número de colores simultáneos. — Inteligencia local y funciones desarrolladas por la misma. DISPOSITIVOS DE ENTRADA DE DATOS Son los elementos que dispone el sistema para facilitar la comunicación entre el proyectista y el ordenador. Existen varios dispositivos que permiten al operador seleccionar una serie de funciones para crear o modificar un dibujo y entrar datos alfanuméricos. Podemos agruparlos en: — Dispositivos de control del cursor. — Digitalizadores. — Teclados de funciones y alfanuméricos. Los digitalizadores y controladores del cursor se utilizan para la construcción gráfica interactiva. Los teclados alfanuméricos y de funciones se utilizan para introducir los datos alfanuméricos y la entrada de los comandos. La interacción gráfica cubre dos funciones: — Crear y proporcionar nuevas entradas en la pantalla. — Seleccionar y localizar entidades sobre la pantalla Entre los dispositivos de control de situación del cursor en la pantalla podemos mencionar: — El ratón (mousse) que por desplazamiento hace girar dos ruedas ortogonales que provocan el movimiento x—y del cursor a la pantalla. Es de utilización cómoda pero no permite reseguir fácilmente una curva. — El joystick, que al desplazar el mando en cualquier dirección se desplaza también el cursor. — La bola trackball en donde el operador hace girar una bola montada sobre un asiento. El cursor sigue el movimiento de la bola. — El lápiz luminoso lightpen con el cual se sitúa el cursor en el punto de la pantalla en que se marca con el lápiz. — La tableta electrónica es una superficie plana, sensitiva, separada del terminal que reproduce una imagen de los puntos de la pantalla. Al señalar un punto sobre la misma el cursor se sitúa en el punto correspondiente de la pantalla. Situando el cursor o el lápiz en zonas seleccionadas de la pantalla o de la tableta se pueden introducir las funciones del menú o lista de funciones que puede desarrollar el sistema. En general estas zonas se identifican con códigos alfanuméricos o gráficos, iconos, para indicar al operador la función que introduce. En algunos sistemas el movimiento del cursor se efectúa a partir de teclas de direccionamiento en el teclado alfanumérico. 36


Los dispositivos de control de cursores más utilizados son: a) el joystick b) la bola c) el ratón.

Los digitalizadores son tableros que al ser recorridos por un lápiz electrónico u otro tipo de cursor facilitan las coordenadas XY de los puntos y reproducen en la pantalla la línea recorrida. Se pueden obtener resoluciones de 0,025 milímetros con una precisión de ±0,025 mm. Los teclados se utilizan para entrada de funciones y datos alfanuméricos, que en general se reproducen en la pantalla gráfica para mejor control por el operador. El teclado es el clásico de todos los sistemas informáticos. En algunos sistemas se incorpora una botonera o teclado de funciones para simplificar el manejo del teclado alfanumérico. Las funciones asignadas a cada tecla están en general bajo control del ordenador por lo que el operador puede asignar funciones distintas según sus necesidades. EL MICRO CAD Las estaciones de CAD autónomas, basadas en microprocesadores, tienen el más elevado coeficiente de expansión de todo el mercado del CAD. Por un lado las sociedades que suministran soft gráficos sobre PC, que inicialmente comercializaban sólo paquetes de dibujo en 2D (2 dimensiones), van día a día potenciando su oferta. Incluyen modelos en 3D en alambre y superficies, en algunos casos modelado sólido y algunos progra37


Lápiz luminoso que puede actuar según los casos sobre: a) pantalla b) tableta digitalizadora.

mas de análisis, cálculo y simulación. Además proporcionan paquetes especialmente dedicados a cierto tipo de aplicación mecánica, electrónica, arquitectura, etc., para la cual ofrecen soluciones que integran todas las necesidades de diseño, tanto de producto como de proceso. Por otro lado las grandes empresas de CAD se esfuerzan por reducir la capacidad de proceso y cálculo necesaria para la ejecución de sus programas. Ofrecen soluciones sobre microprocesadores y PC que del punto de vista de posibilidades de diseño compiten, sin desventaja, con las instalaciones de CAD en miniordenador. Estas dos tendencias convergen en la misma zona de mercado. El de las estaciones autónomas para profesionales y pequeñas empresas que disponen ahora de una amplia oferta para iniciar la aplicación del CAD dentro de unos costes asequibles. La posibilidad de incorporar tarjetas gráficas especializadas a los PC comerciales, así como pantallas gráficas de alta resolución y hard-copys, y por otro lado el desarrollo de microprocesadores cada vez más potentes y con más capacidad de memoria, permiten asegurar un brillante futuro al microCAD. Hoy día las limitaciones principales de los sistemas en el mercado son el manejo de las bases de datos y las comunicaciones, así como menor interactividad y mayor tiempo de respuesta que las estaciones de trabajo soportadas en ordenadores o miniordenadores centrales.

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Software básico

INTRODUCCIÓN Se conoce con el nombre de software al conjunto de programas que permiten al usuario desarrollar su trabajo en el ordenador. Las classificamos en: — Sistema operativo — Comunicaciones — Base de datos — Operación interactiva — Aplicaciones El sistema operativo se refiere a los programas para el manejo de ordenadores con independencia de su aplicación a gráficos o a gestión. En la base de datos se estudian las formas de almacenamiento en memoria de los datos, su modificación y recuperación, con especial referencia a los datos geométricos. En el sistema de comunicaciones se estudian las transferencias de información entre los distintos ordenadores del sistema CAD-CAM. En el soft de operación interactiva se analizaban los programas y facilidades de trabajo del proyectista para introducir, grabar y visualizar los modelos. Esquema general del software de una instalación de CAD.

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El soft de aplicaciones es el conjunto de programas necesarios para desarrollar una aplicación específica. Como se apoya en un hard y en un sistema operativo debe existir compatibilidad entre ellos. En este capítulo nos referiremos a los cuatro temas primeros dejando el soft de aplicaciones para los capítulos siguientes. Como característica general de todos los apartados es de destacar la gran variedad de soft disponible y su escasa estandarización lo que hace, en general, incompatibles los sistemas de diseño de los distintos suministradores. Se han desarrollado soft de traducción a través de sistemas gráficos estándars que si bien son eficaces para elementos geométricos sencillos, en general no soportan geometrías de superficies avanzadas ni entidades complejas. La gran variedad de hard y soft que ofrece el mercado, obliga a una cuidadosa selección de los equipos para las distintas aplicaciones informáticas, buscando la máxima compatibilidad entre los mismos.

El problema de compatibilidad tanto a nivel de hard, como de soft es uno de los obstáculos más importantes en el desarrollo de los sistemas integrados CAD-CAM-CIM. Se han logrado resultados espectaculares en la aplicación puntual del ordenador en las distintas etapas del proceso. Pero generalmente los sistemas más eficaces en cada área son de distintos suministradores, y precisan en ocasiones de intervención manual para transferir información entre ellos. La rapidez de evolución tecnológica en el CAD-CAM, muy lejos todavía de su estado de maduración, hace que sea muy difícil homologar unos estándares operativos dado que éstos se quedan obsoletos antes de su implantación real en el mercado. Sin embargo, cada vez más se establecen unos estándares de hecho en virtud de la utilización de un determinado producto por una gran mayoría de los suministradores de sistemas CADCAM, o de sus usuarios. Entre los más extendidos están: IGES, SET y VDAF. SISTEMA OPERATIVO Los suministradores de equipos informáticos junto con el hard entregan, bajo el hombre de sistema operativo, un conjunto de programas que facilitan el manejo de todos los dispositivos del sistema, así como los procesos de captura, almacenamiento, transmisión y salida de datos. En el mercado de PC y micros, los sistemas más extendidos son: el MC, el PC-DOS y el UNIX. Este último se utiliza cada día más en los supermicros y minis. Entre las funciones del sistema operativo destacamos: 1) Gestión de memoria: Es decir optimizar la utilización de la memoria disponible, tanto interna como externa. En general la extensión de los programas de diseño gráfico supera la capacidad de almacenamiento de la memoria de la unidad central por la que deben utilizarse las técnicas de memoria virtual, considerando parte de la memoria en disco como una ampliación de la central, y gestionando la transmisión de las instrucciones del programa de la memoria virtual a la real. Estas instrucciones se transmiten agrupadas en lotes-páginas. Si la capacidad real de la memoria es demasiado pequeña, se produce un exceso de "paginación", que se 40

Software básico

Lista de funciones básicas que desarrolla el software del sistema operativo en el CAD.

traduce en un aumento exagerado de los tiempos de respuesta del ordenador aún para operaciones sencillas. 2) Multiprogramación: Si bien un ordenador con un sólo procesador no puede efectuar más de una instrucción a la vez, dado que los tiempos de las entradas-salidas y de las operaciones en memoria no están equilibrados, se optimiza la utilización de la capacidad del sistema si se trabaja en varios programas a la vez. Se asigna a cada uno una parte de la memoria real y se solapan operaciones de entrada-salida de unos, con operaciones aritmético-lógicas de otros. Este sistema de trabajo, que es condición necesaria para un trabajo simultáneo e interactivo de varios proyectistas, significa, para el sistema operativo, la resolución de acciones tan comple jas como la asignación dinámica de memoria entre los distintos programas, tratamiento de colas de instrucciones, prioridades de trabajos, interrupciones. 3) Multiproceso: Es usual dotar al equipo, además del procesador principal, de procesadores especializados para cálculo o funciones gráficas complejas. El sistema operativo debe gestionar el trabajo coordinado de todos los procesadores. 4) Gestión de ficheros: El sistema operativo permite al operador trabajar con ficheros lógicos, sin preocuparse de su ubicación física en los discos. Efectúa todas las operaciones necesarias para la localización, grabación, lectura y modificación de los datos. Proporciona sistemas de seguridad y protección de ficheros. Permite al acceso a varios armarios de discos. 5) Sistemas de entrada y salida: El sistema operativo gestiona los dispositivos de entrada-salida, regulando el flujo de información entre los periféricos y la unidad central, utilizando ficheros o zonas de espera intermedias cuando la velocidad de salida del periférico, es inferior al flujo de datos que facilita la unidad de proceso. 41


Distribución de la memoria real de ordenador en multiprogramación. a) Situación anterior. b) Situación actual de la incorporación de un nuevo programa.

6) Programas y rutinas: De utilidad para descargar al usuario de programar aplicaciones muy repetitivas, como son la copia, la clasificación y fusión de ficheros, el traspaso de ficheros de un periférico a otro, el formato de pantallas, sistema de creación, mantenimiento y explotación de bases de datos, y editores, gráficos y alfabéticos. 7) Programación: Permite la programación interactiva con los lenguajes más usuales, en gráficos, Fortram-Basic-C y ensamblador. Compila, carga los programas y edita, facilitando ayuda para su corrección y puesta a punto.

Relación de programas de utilidad, de uso más frecuente.

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Software básico

8) Software de operación: Facilita un sistema de comando sencillo para el operador; proporciona sistemas de recuperación de datos, ante paros imprevistos del sistema; facilita mensajes de error, tanto de operación como del sistema, y posibilidades de corrección, si las hay; registra los datos de explotación, y confecciona estadísticas de utilización de dispositivos. COMUNICACIONES La filosofía de integración de la información, que es la base del DiseñoFabricación Asistida por Ordenador, supone el funcionamiento de una red local de comunicaciones entre sistemas. Para ello se precisan unos medios físicos —hardware de comunicaciones—, y unos programas —software de comunicaciones—, basados en unas normas —protocolos— que permitan el trasvase de información entre los sistemas. El hardware de comunicaciones está compuesto por los cables que unen las estaciones, más los dispositivos de transmisión y recepción de mensajes, además de los interfaces adaptadores entre éstos y los ordenadores. Es frecuente también que toda la gestión de comunicaciones se encargue a un microprocesador.

Arquitectura del modelo de comunicaciones ISO/OSI .

Los equipos conectados a una red local pueden compartir ficheros, periféricos tipo Plotter de alto coste y utilización esporádica, memoria de procesadores centrales, dando lugar a que un operador ejecute su trabajo sin saber qué ordenador lo está procesando, ni en qué armario de discos se están guardando sus datos. Para aprovechar la gran variedad de hard y soft existente en el mercado, 43


se precisa disponer de una red de comunicaciones válida para todos, es decir abierta, a la que todos los sistemas puedan conectarse e intercambiar información. Se necesita desarrollar muchas funciones para cubrir todas las necesidades de una comunicación de datos. Cada una de estas funciones precisa de un protocolo, y éstos deben estar coordinados entre sí. Para ayudar a conseguirlo, ISO —International Organization for Standarization— ha desarrollado un modelo, el OSI —Open Sistem Interconexión—. El OSI-ISO no especifica los detalles de cada protocolo, sino más bien la forma en que deben agruparse las funciones a desarrollar por cada protocolo. Estas familias y niveles son 7, y cada una de ellas se apoya en el anterior. Los niveles son: — Físico — Enlace de datos — Red — Transporte — Sesión — Presentación — Aplicación El nivel físico proporciona la conexión para la transmisión de datos entre dos puntos, y los medios mediante los cuales esta conexión puede activarse y desactivarse. La comunicación puede hacerse en circuito abierto token, o en circuito cerrado ring, con tecnología de transmisión de señal por modulación sobre portadora —broadband—, o directamente —baseband—. El nivel de enlace de datos tiene como función agrupar los datos en "cápsulas", introduciendo al principio y final caracteres de control. Este

Sistema de conexión con sistema ETHERNET.

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Software básico

nivel puede incorporar control de flujo y de errores de transmisión, o bien dejar que estas funciones se desarrollen en niveles superiores. El nivel físico y el de enlace están, en general, incluidos en el hard, mientras que las funciones de los niveles superiores se implementan en el firmware o el software de comunicaciones. El nivel de red tiene por misión establecer la ruta para el envío de un paquete de datos entre dos puntos, se encuentren en la misma red o en redes distintas, con independencia de la distancia que las separe. El nivel de transporte debe controlar el flujo de paquetes que circulan por cada tramo, detectar y recuperar los errores de transmisión. El nivel de sesión, actúa como intermediario entre el ordenador y la red, y contiene el software necesario para que el usuario pueda establecer conexión con otro ordenador, gestionando la transmisión de acuerdo con los datos facilitados por el nivel de transporte. Acostumbra a disponer de mecanismos de seguridad para proteger el acceso a ficheros o servicios de la red. Enlace con repetidor de dos redes locales con el mismo protocolo de comunicaciones. El repetidor sólo amplía la señal

El nivel de presentación tiene por objetivo prever un formato normalizado de datos para las aplicaciones, y define el significado de los bits incluidos en el mensaje para una correcta interpretación del mismo. El nivel de aplicación contiene las tareas que desea ejecutar el usuario y que permitirán a los programas de aplicación el acceso a la red. No existe, hoy en día, un protocolo completo que abarque todos los niveles. Las especificaciones de protocolos más desarrolladas son el MAP— Manufacturing Automation Protocol— fruto de un grupo de trabajo liderado por General Motors, y en el que participan los principales fabricantes de ordenadores, y el TOP —Technical Office Protocol—, iniciado por Boeing 45


para uso en oficinas. Estos dos sistemas son compatibles. En marzo de 1986, los dos grupos de estudio se fusionaron en un sólo grupo MAP/TOP. Si bien aún no existe una aplicación significativa de estos sistemas, todos los fabricantes suministran software de comunicaciones en línea de compatibilidad con ellos. Los estándares establecidos y más ampliamente utilizados son: a nivel 1 y 2 — ETHERNET; a nivel 3 y 4 — TCP/IP y XNS. Existen otros protocolos "de facto" que no siguen los niveles ISO/OSI. Entre ellos destacamos, a nivel de Hard: RS 232 y SDLC, y a nivel de soft SNA. Para la conexión de redes con diferentes protocolos su complejidad depende de la mayor o menor diferencia entre las arquitecturas de los protocolos de comunicaciones de cada uno. Esquemas de conexión entre redes locales con distintos prot ocol os de comunicaciones.

La base de datos es la pieza clave sobre la que se apoya toda la filosofía de integración de los procesos informáticos CAD-CAM.

Entre los dispositivos utilizados están los repetidores, que amplifican la señal pero no la modifican; los puentes (bridges) que actúan al segundo nivel de enlace, modificando los bits de control para adecuarlos entre sistemas, y las puertas gateways que traducen completamente de una familia de protocolos a otra. BASE DE DATOS Las bases de datos, junto con las comunicaciones, son los pilares básicos sobre los que se asienta toda la filosofía de integración de procesos informáticos CAD-CAM. Casi todas las funciones del sistema dependen del contenido y estructura de la base de datos. Si pasamos revista a las diferentes áreas que utilizan la información contenida en la base de datos se puede apreciar la gran cantidad y variedad de la información que se precisa. 46

Software básico

— Diseño: almacena datos geométricos para modelos de piezas en tres dimensiones; planos, esquemas y croquis en dos dimensiones; información alfabética asociada como costes tolerancias, acabados, materiales; datos de cálculos como tensiones, deformaciones y temperaturas. — Desarrollo: guarda ensayos efectuados y condiciones y resultados. — Documentación técnica: tiene listas de especificación del producto, hojas de manuales de uso y mantenimiento con información gráfica y mucho texto. — Ingeniería del proceso: precisa de moldes, matrices, utillajes y herramientas. Simula procesos de mecanizado. Dispone la cadencia de operaciones de fabricación y montaje y de dibujos de los gráficos de fase con las condiciones de mecanizado. — Planificación de la producción: almacena la composición del producto, con sus conjuntos, subconjuntos, piezas y materiales; proveedores, stocks. — Producción: con sus programas de control numérico, de manipulación de robots, de fases de montaje. — Control de calidad de trabajo: con sus especificaciones de control, sus máquinas de verificación por coordenadas, sus pruebas funcionales. Todos ellos utilizan el ordenador, y todos precisan de una base de datos. Hay muchos datos comunes y muchos relacionados entre sí. Se utilizan clasificados y ordenados por distintos conceptos. Estos datos deben ser coherentes. La lista de materiales de planificación con el correspondiente plano de montaje y con la lista de componentes de la estación de montaje, la cota del plano con la correspondiente del utillaje y el recorrido de la herramienta. Ante este panorama, se comprenden los esfuerzos para la integración

La falta de coherencia entre los datos de la base de datos hace que se obtengan informaciones distintas de un mismo modelo.

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Esquema de base de datos jerárquica. Un nivel p uede tener varios subniveles, pero está enlazado a un solo nivel superior.

de los datos de forma que se evite la redundancia, se elimine el trabajo de interpretación, remodelación y grabación de los mismos en un nuevo sistema, y se garantice la coherencia de los datos entre los distintos usuarios. Es decir, por ejemplo, que el modelo que construye el proyectista, sea el mismo que se utiliza para cálculo y simulación, para diseñar moldes y matrices, para estudiar procesos de mecanizado y montaje. De las consideraciones anteriores se desprenden las características de las bases de datos de CAD: — Manejo de una gran cantidad de datos de muy distinta naturaleza: geométricos, alfabéticos, numéricos, figuras y textos. — Gran número de datos relacionados entre sí, según esquema de relaciones no predeterminado. Se establece a medida que el producto se estudia en sus diferentes fases. — Recuperación de datos desde muchos puntos de entrada. La enorme cantidad de datos manejados y la gran diversidad de procesos que los utilizan hace que esta base de datos única, totalmente integrada, sea hoy día, con la tecnología disponible, más una meta que una realidad industrial. Pero marca un objetivo al que se precisa encaminar toda aplicación informática que implantemos, de forma que las bases de datos parciales que se creen sean cuando menos compatibles entre sí, y exista, para datos comunes, una transferencia automática de información. Como organización de la base de datos se utilizan usualmente los modelos jerárquico, en red y relacional. Para la base de datos geométricos se utilizan modelos especiales según la técnica utilizada en la construcción del modelo, que facilitan la reconstrucción del mismo para su visualización, o como base para tratamientos posteriores como análisis y simulación. Algunos sistemas de CAD tienden a dar una descripción muy completa 48

Software básico

del modelo, almacenando en memoria gran cantidad de puntos. Otros prefieren guardar los datos de partida junto con los procedimientos utilizados en la generación del modelo. En el primer caso se precisa gran cantidad de memoria en disco y elevado proceso de lectura-grabación de datos. En el segundo, en cambio, se precisa de más potencia y más tiempo de cálculo para regenerar el modelo. Pero dejando la estructura interna de datos, las características que más directamente afectan al operador en su estación de trabajo son: — Facilidad de manipulación — Asociatividad — Distribución del fichero en capas — Librerías — Recuperación de modelos Facilidad de manipulación El sistema permite al operador un trabajo interactivo de creación y modificación de la estructura de datos, en todas las fases de su trabajo, suministrando en cada momento una visualización del estado del modelo en una o varias vistas, de forma que si efectúa una modificación, ésta se refleja en todas ellas. Es decir, debe existir coherencia entre todas las vistas, ya que todas ellas representan el mismo objeto. El lenguaje de creación y manipulación de datos debe ser único para que el diseñador pueda definir con facilidad nuevos tipos de datos y redefinir los existentes. Asociatividad El sistema debe ser altamente asociativo, relacional y flexible. Es decir, Esquema de una base de datos en red. Un nivel puede estar enlazado a cualquier número de niveles tanto superiores como inferiores.

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cada elemento gráfico debe poder asociar propiedades no gráficas e información relacional. Los valores de las entidades asociadas se modificarán si se modifican las gráficas. Por ejemplo, si a un segmento asociamos su cota, al cambiar la longitud del segmento, automáticamente se modificará la cota. La información relacionada con una entidad permitirá efectuar búsquedas y resúmenes por diferentes argumentos. Por ejemplo, si el segmento anterior es la representación de un trozo de cable eléctrico, se podrá indicar tipo de cable, número de hilos, diámetro, tipo de aislamiento. En estudios posteriores nos puede interesar saber qué tipos de cables intervienen en el diseño completo de cuántos colores y qué longitud total en cada color. Otro tipo de asociatividad es la del modelo, con todos los dibujos, planos, estudios, simulaciones, que se han efectuado sobre el mismo, de forma que si modificamos algo en el modelo, esta modificación se refleja también en toda la información que se ha generado sobre el mismo.

Ejemplo de distribución de información por capas. Se puede visualizar en cada momento el conjunto de capas que se desee.

Como hemos visto, sobre un modelo se genera mucha información geométrica, numérica, textos y relaciones. El sistema debe ser capaz de seleccionar de una forma sencilla qué información queremos obtener simultáneamente, ya que, según el tema a estudiar, precisaremos de unos datos u otros. Por ejemplo: para estudiar un plano precisaremos geometría, con acotado y textos; en cambio, si queremos utilizar la figura para estudio de interferencias con otras figuras, nos molestará tener en el terminal las cotas y los textos. Para lograr esta selección de la información, ésta se distribuye en "capas". Todos los datos contenidos en una capa se recuperan y 50

Software básico

visualizan a la vez. Llamando a unas capas o a otras, el ordenador puede obtener los datos que precise en cada momento. El número de capas es variable según el suministrador. Un valor muy frecuente es el de 256 capas. Es fundamental, al iniciar la aplicación del diseño por ordenador, efectuar una correcta distribución del tipo de información que se guardará en cada capa y que todos los usuarios conozcan en qué capas está la geometría, en cuáles el acotado, los rayados los textos, los formatos del plano, los atributos asociados a cada geometría o los planos. Librerías Una parte importante de la base de datos, la constituye la correspondiente a figuras normalizadas o elementos repetitivos en el dibujo. La productividad mayor del CAD se obtiene cuando la obtención de los modelos nuevos se consigue aprovechando al máximo dibujos ya efectuados previamente. En todas las actividades existe una serie de dibujos, símbolos caracteres, cuadros, formas, que se repiten constantemente en los planos. Todos estos elementos interesa dibujarlos una sola vez y luego limitarse a copiarlos sobre los planos nuevos. Este tipo de elementos, figuras, estándares, símbolos, se almacenan en un fichero especial, librerías, de fácil acceso. Al integrar una figura de librería en un dibujo puede hacerse de dos maneras: — Copiándola físicamente y guardando toda su información en el dibu jo. — Sin copiarla y guardando sólo el nombre de la figura. Al recuperar el dibujo, el sistema accede a la librería y representa la geometría completa de la figura.

Ejemplo de figuras de librería.

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Utilizando esta segunda opción, si se modifica el dibujo de una figura de librería, esta modificación quedará reflejada en todos los planos en que se aplica. La librería se subdivide, en general, en hojas en las que se agrupan los ficheros por tipos o por aplicaciones-esquemas-dibujo-acotado-mecánicaeléctrica, etc. Interesa que el sistema relacione las figuras de librería con los dibujos en que se han aplicado, a efectos de control y actualización de modificaciones. Recuperación del modelo. Repetibilidad y precisión Tanto en el proceso de diseño como en sus aplicaciones posteriores, el sistema debe ofrecer un procedimiento sencillo de recuperar el modelo geométrico desde distinto puntos de vista. Dado que el modelo no se guarda, en general, totalmente definido, sino sus pautas y procedimentos de obtención, el sistema debe garantizar que los cálculos necesarios para definir totalmente el modelo den siempre e[ mismo resultado. Es decir, nos debe garantizar la repetibilidad de modelo. Como muchos puntos quedan definidos por complejos cálculos de intersecciones de figuras gráficas y de ajustes, el resultado final de los cálculos, depende, en gran medida, de la precisión con que se almacenen los datos. Cuando el modelo es muy complejo, por ejemplo un motor que puede estar formado por unas 1.000 piezas distintas, interesa dotar al producto de una codificación estructurada en modelos, que permita el acceso sencillo al tipo de pieza que buscamos, así como a las que está directamente relacionada. Asimismo, es fundamental, a efectos de estandarización del producto y del proceso, que el sistema de codificación de modelos nos permita acceder y recuperar con facilidad los modelos similares que existan en el fichero. Para lograr una mayor productividad en diseño, en general, será más sencillo modificar un modelo existente que crear uno nuevo. También a efectos de estandarización del producto, evitando la creación de piezas nuevas cuando se puede utilizar una vieja, o bien eliminándolas con un nuevo diseño que cumpla con las condiciones anteriores y actuales. Existen varios sistemas de codificación en el mercado. Entre ellos destacamos los utilizados dentros de la tecnología de grupos, que facilitan la estandarización, no sólo de diseño, sino también de fabricación. OPERACIÓN INTERACTIVA El software del sistema debe permitir una comunicación sencilla, flexible e interactiva del proyectista con la máquina, sin exigirle ninguna formación informática. Lenguajes: Comandos - macros - paramétrico Se dispone de un lenguaje de comandos gráficos para la creación de modelos. La estructura es en general jerárquica, de tres niveles y se compo52

Software básico

ne de función o verbo, subfundan o nombre, y secuencia o modificador. Según el suministrador los comandos se pueden, o no, modificar, agrupar, y crear nuevos. Para ello suministran lenguajes de alto nivel para la generación de comandos. Facilitan también un lenguaje de macros, que permite acceder a los ficheros, utilizar las rutinas gráficas y, en general, confeccionar programas propios para aplicaciones gráficas específicas. Otro tipo de lenguaje frecuente es el paramétrico, es decir, nos permite construir tanto en 2 dimensiones (2D) como en 3 dimensiones (3D), modelos paramétricos, en los que las cotas no son valores numéricos, sino parámetros a los que, en en cada caso, se puedan asignar valores distintos y obtener dibujos de acuerdo con estos valores. La aplicación del dibujo paramétrico simplifica enormemente la obtención de dibujos de piezas similares. En los lenguajes paramétricos gráficos más avanzados, se utilizan los mismos comandos de construcción de modelos, se dibuja el modelo en el terminal, y se asignan parámetros en vez de cotas. Utilidades para la entrada de datos Estas utilidades simplifican la forma de entrar al ordenador comandos, identificación de entidades (una entidad es una parte elemental del dibu jo) y coordenadas o información alfanumérica. Todos los datos pueden entrarse por el teclado, pero los sistemas ofrecen formas más ágiles, que a la vez, guían al operador en las operaciones que en cada momento puede elegir. Menús Los comandos están organizados en forma de menús jerarquizados que se visualizan, en general, en una zona determinada de la pantalla, en la que el proyectista señalará con un lápiz luminoso o un ratón la opción elegida. Al seleccionar un verbo o una función, aparecen en la pantalla los nombres o subfunciones que pueden ejecutarse, y al señalar una subfunción, se visualizan en la pantalla los modificadores que pueden elegirse. Este menú recibe el nombre de menú dinámico, en contraposición del menú estático, que presentan también algunos sistemas, el cual se sitúa en una zona determinada de una tableta digitalizadora. El propio usuario puede confeccionar el menú estático que se ajuste más a sus necesidades, y agrupar varios comandos en uno solo, o creando nuevos comandos con los que puede conseguir una operación más cómoda y rápida que la que ofrece el menú general de la pantalla. Existen en el mercado sistemas de menú dinámico cerrado, que no admitan la modificación del mismo, mientras que otros permiten adecuar el menú a las características de cada aplicación. Para la identificación de los comandos en los menús, se utiliza bien una abreviatura de su nombre, lo que puede producir confusión por la gran 53

Los procedimientos de operación interactiva permiten que los proyectistas utilicen las estaciones de trabajo sin precisar de ningún conocimiento informático.


La localización del menú puede ser en pantalla pantal la o e n tableta digitalizadora.

cantidad de nombres y por tanto de abreviaturas, o bien últimamente, con figuras alegóricas "iconos". Entrada de datos El módulo de entrada de datos acepta, en general, dos informaciones: identificación de entidades y especificación de coordenadas. La identificación de entidades se puede efectuar señalándola con el cursor, agrupando varias partes del modelo señalándolas con el cursor una tras otra mediante una ventana que incluye, excluye o corta la entidad, especificando sus coordenadas, o asignándole un nombre, mascara, entre las admitidas para la instrucción que se está ejecutando. La especificación de coordenadas puede hacerse por teclado, con el cursor en la pantalla, en la tableta digitalizadora, o por referencia a entidades ya existentes en la base de datos o puntos singulares de la misma. Por digitalización directa pueden entrarse todo tipo de líneas. En general pueden elegirse varios métodos de ajuste para adaptar la línea resultante a los puntos digitalizados. Información on-line Los sistemas ofrecen una gran cantidad de mensajes para indicar el final de una instrucción, los errores detectados y posibilidades de corrección. Se proporciona también en pantalla los catálogos de instrucciones para los comandos gráficos, que se visualizan con más o menos información a petición del usuario.

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Cómo crear un modelo en CAD

INTRODUCCIÓN El ordenador es aún hoy, para la mayoría de la gente, algo misterioso, cuyo uso está reservado a una escasa minoría de entendidos. Se tiene un cierto miedo-respeto a situarse delante de un terminal; un cierto "comple jo de infer i nferior iorida idad" d" ante ant e la l a máqui má quina. na. El dibujo con ordenador entra de lleno en el "mito informático". Da la impresión de ser algo reservado a unos seres privilegiados, dotados de especialísimos conocimientos en informática, en diseño, en cálculo, en una palabra: en todo. Realmente no es así. Es muy sencillo dibujar en los sistemas CAD que ofrece el mercado; más que dibujar en el tablero. Un delineante se forma en meses; un operador de CAD en unas pocas semanas. El ordenador es sólo una herramienta que facilita el trabajo. Un mal delineante en CAD obtendrá planos tan perfectos como el mejor delineante. Esto es debido a que los paquetes de soft gráfico que ofrecen las distintas suministradoras están especialmente concebidas para el uso de personal no informático, e incorporan una gran cantidad de ayudas al operador.

La posibilidad de diseñar modelos en tres dimensiones, facilita al proyectista un amplio campo de posibilidades de estudio, cálculo y simulación para optimizar el producto.

Otra cosa muy distinta es obtener todo el rendimiento que pueda proporcionar el terminal de CAD. Si el terminal se utiliza según el mismo sistema y mentalidad con que se dibujaría en el tablero, es decir, se convierte en un tablero electrónico, se mejora algo la productividad de delineación, se hacen los dibujos más rápidos, pero se desaprovechan las mejores ventajas del CAD. El CAD nos ofrece como posibilidades más importantes, que no tenemos en el tablero:

El disponer de modelos en 3D para todo tipo de análisis aná lisis es es una de las principales características que diferencian el diseño en CAD del clásico.

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— El trabajo en un espacio de tres dimensiones. — La composición del dibujo a partir de elementos estándar que disponemos en una librería y que dibujamos de una vez por todas. — El dibujo paramétrico. Es por tanto imprescindible antes de empezar a dibujar en CAD estudiar: — Qué piezas, símbolos, caracteres, debe contener nuestra librería para automatizar al máximo la construcción del modelo. — Qué necesidades o ventajas se obtendrán creando modelos en tres dimensiones en vez de dibujos en dos dimensiones. — Qué tipo de piezas se prestan a un dibujo paramétrico. Relación de las posibilidades que ofrece el CAD que más influyen en su productividad.

En general, el dibujar un modelo en tres dimensiones es bastante más costoso que dibujarlo en las clásicas vistas de un plano. Pero en cambio, con el modelo en tres dimensiones pueden efectuarse una serie de operaciones que son imposibles, o muy difíciles, con el dibujo. Podemos citar: — Comparación de formas y colores en una etapa de diseño de "styling" — estilo —. — Comprobación de juegos e interferencias. — Simulación de mecanizado. — Simulación de comportamiento cinemático o dinámico. — Cálculos de volúmenes, centros de gravedad y momentos. La elección, por tanto, entre representar un modelo en 2 ó en 3 dimensiones, vendrá dada por su utilización posterior. La tendencia general es dibujar, cada vez más, en 3 dimensiones. Con una buena planificación del uso de todas las posibilidades y un conocimiento y mentalización por parte del proyectista en los nuevos procedimientos de que dispone, 56


se pueden alcanzar los altos índices de productividad que nos ofrecen las estadísticas. Dentro del paquete de soft de diseño gráfico, en este capítulo pasaremos revista a los apartados de: — Creación de modelos — Almacenamiento — Visualización CREACIÓN DEL MODELO Todo modelo puede descomponerse en figuras geométricas básicas, puntos, rectas y curvas. Agrupando éstos, podemos definir superficies y combinando superficies, obtendremos volúmenes. Consideraremos estos tres apartados: — Geometría básica — Definición de superficies — Definición de modelos en 3 dimensiones GEOMETRÍA BÁSICA Todos los sistemas ofrecen unas prestaciones muy similares en la definición de los elementos geométricos básicos. Difieren en disponer de una gama más o menos amplia de posibilidades de definir un mismo elemento. El proyectista puede utilizar en cada caso el sistema de referencia que le sea más cómodo.

El proyectista dispone ante sí de un espacio infinito en el que puede situar los elementos geométricos referenciándolos por sus coordenadas X, Y, Z, respecto a un origen y ejes fijos. En cada momento, el operador puede establecer unos nuevos orígenes de coordenadas y unas nuevas 57


orientaciones de ejes y definir las funciones a partir del nuevo sistema de coordenadas X', Y', Z'. El ordenador automáticamente referenciará todas las posiciones a un único sistema. El proyectista define la unidad de medida (milímetro, pulgada, metros, etc.) en que va a trabajar. A continuación relacionamos las formas más usuales de definición de los elementos geométricos básicos: Algunas formas de definición de puntos.

Punto: Se define usualmente:

— Tecleando sus ordenadas — Digitalizando en la tableta — Situando el cursor en la pantalla — Como origen o final de una línea — Como intersección de dos líneas — Por distancia a otro punto Rectas: Se pueden dibujar, entre otras formas:

— Pasando por dos puntos — Por un punto y con una dirección — Vertical u horizontal — Paralela o perpendicular a otra — Tangente a dos curvas — Tangente a una curva y paralela o perpendicular a otra Filas: "strings" o conjunto de puntos conectados por una línea recta. Círculos: Se pueden definir:

— Especificando el centro y el radio — Especificando el centro y un punto de paso — Que pase por tres puntos 58


Varios métodos de definición de rectas.

— Que sea tangente a tres rectas — Con un radio dado y tangente a dos líneas — Que pase por dos puntos diametrales Arcos: Se definen igual que el círculo pero añadiéndole más informa-

ción como: — Punto de inicio y final — Ángulo compr endido Radios de acuerdo: "fillet": Se pueden conectar dos líneas en un mismo

plano mediante un arco tangente a las mismas y de radio dado. Diferentes definiciones de un círculo.

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Chaflán: "chamfer": Es una línea recta que une dos líneas. Se especifica:

— Pasando por un punto y con una inc linación — Inclinación y longitud — Distancia de los puntos de inicio y fin del chaflán al punto de intersección de las dos líneas Cónicas: Se definen elipses, hipérbolas y parábolas:

— Pasando cinco puntos — Pasando por tres puntos y tangentes a dos líneas — Especificando los semiejes y la dirección del eje mayor Curvas: El sistema CAD es capaz también de representar las formas

geométricas más complejas que requiere el diseñador. Para ello cuenta con potentes procedimientos matemáticos, que le permiten establecer las ecuaciones, almacenar y representar las curvas que se precisen por compleja que sea su forma. Las condiciones que deben cumplir estas curvas pueden ser muy distintas: — Curvas de las que nos interesa su forma, pero no nos importan los puntos exactos por los que pasa. — Curva que, con una forma dada, debe pasar por una serie de puntos determinados. — Curva de pendiente continua en todos sus puntos, o en todos menos unos singulares. — Curva con radio de curvatura continua. — Curva que pasa por unos puntos determinados y con una tangente dada. El procedimiento de diseño es: El proyectista representa una serie de puntos que definen la curva. En unos casos serán los puntos por los que pasará la curva, en otros, estos puntos sirven sólo para definir la forma de la curva. Elige el tipo de ajuste matemático y tipo de curva a utilizar. El Representación de una curva de BEZIERS definida por su polí gono de co ntr ol.

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ordenador establece la ecuación de la curva, en general polinomios de orden K, y calcula un número suficientemente elevado de puntos de la curva, representándola en la pantalla. Si la forma de la curva de la pantalla no es la deseada, el proyectista, modificando los puntos definidos o los parámetros de la curva, la varía de forma interactiva. Según el tipo de modelo matemático utilizado, al modificar un punto se verá, más o menos, afectada toda la curva —modelo global—, o bien sólo una zona de la curva —modelo local—. Los modelos matemáticos más utilizados son: Curvas de Beziers: Son polinomios de grado n–1, definidos a partir de

los n puntos introducidos, con las siguientes propiedades: 1) Pasa por el primer y último punto. 2) La tangente en el primer punto es la recta definida por los puntos primero y segundo. La tangente en el último, la definida por los puntos penúltimo y último. 3) No pasa por los puntos intermedios. Es decir es un método que define la forma de la curva, que queda inscrita dentro del polígono de control que definen los puntos entrados. 4) Al modificar un punto se modifica toda la curva. Es un método global. 5) Tiene continuidad de la tangente en todos los puntos. Curva Spiline pasando por los puntos de control.

Spilines cúbicos: En este tipo de ajuste, no se obtiene un polígono de

grado n–1, sino que cada dos puntos contiguos se unen mediante un polinomio distinto de grado tres. En los spilines cúbicos locales se obtiene la continuidad de la tangente en todos los puntos; la curva pasa por todos los puntos definidos y es un modelo local. Es decir, al modificar un punto se modifica sólo la zona de 61


Ejemplo de modificación global o local de una curva según su método de definición.

curva comprendida en el entorno de este punto y los dos contiguos. En los spilines cúbicos globales se obtiene continuidad, en cada punto, de tangente y radio de curvatura. La curva pasa también por todos los puntos deseados. Es un modelo global, es decir, al modificar un punto afecta más o menos a toda la curva y permite dos grados de libertad, si la curva es abierta, en los puntos de entrada y salida. B –spilines: en este modelo se definen polinomios de orden K por

trozos de curva. En el caso de que K sea igual a tres se obtienen los spilines cúbicos que son los más utilizados en general. Pueden generarse superfiRepresentación de curvas B-Spiline racionales al variar el peso asignado a uno de los puntos.

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cíes de Beziers de K puntos con B–spilines de orden K–1. En los B–spilines se puede elegir la continuidad deseada en cada punto. Si todos los puntos, vértices de control, son distintos, se obtiene una curvatura continua en todos ellos. En los B–spilines no uniformes, se sitúan dos vértices de control en una misma posición, se obtendrá sólo continuidad de tangentes en este punto. Y si en una posición se sitúan tres vértices de control no se obtendrá en este punto continuidad de tangente. Esta propiedad se puede utilizar para la representación de puntos singulares de las curvas, tales como cambios bruscos de orientación. Representación de una NURBS, con puntos singulares.

NURBS-Non-uniform-rational-B-spilines (B-spilines no uniformes racio-

nalizados): En estos modelos se puede asignar un peso distinto a cada punto de control, lo que permite un ajuste más preciso, especialmente en las curvas definidas por puntos no uniformemente distribuidos, y permite obtener secciones cónicas. Todos los B-spilines son invariables en una transformación lineal, y los NURBS son también invariables en una proyectiva. Al definir una curva el proyectista debe elegir el orden máximo del polinomio, la tolerancia que acepta, es decir, máxima desviación respecto a unos resultados exactos, la precisión o máximo número de puntos a calcular, los puntos de control, los puntos de ajuste y tangentes. Una vez obtenida la curva, puede modificarla, variando puntos y pesos de cada punto, modificando tangentes, extrapolando. DEFINICIÓN DE SUPERFICIES El modelado de superficies es fundamental para obtener la representa63


ción espacial del objeto y los métodos matemáticos de definición se han ido perfeccionando a medida que se requería más precisión y continuidad de curvatura, especialmente para los procesos de simulación de mecanizado. La visualización de superficies se efectúa en general estableciendo un mallado de la misma. Los tipos más usuales de superficies utilizados son los siguientes: Obtención de una superficie cilíndrica por barrido de una línea al deslizarse sobre un eje.

Cilindricas: Se obtiene desplazamiento en una dirección una línea recta

o curva, cerrada o abierta —barrido— Generación de una superficie de revolución.

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De revolución: Se generan por rotación, barrido, de una curva-línea-

arco-cónica-B-spiline- alrededor de un eje. Definida la curva generatriz, se establece el eje de giro y el ángulo a girar. Representación de una superficie por una recta que se desplaza entre dos curvas.

Reglada: Se genera por una línea recta que se apoya sobre dos curvas

que pueden ser iguales o distintas. Superficies por interpolación: Se obtienen por interpolación entre dos

o más perfiles curvados. En el caso de más de dos perfiles, en lo que ya no puede utilizarse la interpolación lineal, la solución más utilizada es la de definir perfiles longitudinales, entre las curvas dadas, mediante B-spilines. Superficies generadas a partir de una red de puntos en el espacio: Se

utilizan varios métodos: — Definir, por cualquiera de los métodos descritos, una red de curvas longitudinales y transversales, y generar en cada cuadrito una superficie que se adapte al contorno del mismo. — Definir superficies B-spiline como generalización, en dos dimensiones de los métodos en curvas. Según sean cúbicas locales, cúbicas globales, o de grado superior, racionales o no, uniformes o no, se obtendrán superficies con mayor o menor grado de continuidad —en pendiente, en curvatura—, que pasarán o no por los puntos definidos, y que podrán o no modificarse localmente, según sea, en cada caso, la técnica utilizada. Para conseguir las ventajas de una mayor continuidad y que la superficie pase por los puntos deseados, se utilizan a veces sistemas complejos, que a partir de la red de puntos definidos por el usuario, el sistema calcula una red de vértices de control tal que, al definir los B-spilines, éstas pasen por los puntos deseados. La técnica más extendida es definir cada malla por spiline cúbicos que 65


Generación de una superficie por spilines-cúbicos.

conectan entre sí con continuidad de primero y segundo orden, permite la modificación local de la malla sin afectar al resto de la superficie. Entre estas modificaciones, aparte de las correcciones de forma que se deseen, citaremos: Inserción de un agujero en una superficie.

—Inserción de un agujero, definiendo primero la forma del mismo, y sustituyendo el elemento de malla inicial por otros con apoyo en el agujero. — Aplicación de una celda de la malla, de un trozo más pequeño de 66


superficie, desplazada de la misma, y uniéndola a los bordes de las mallas adyacentes. — Dados dos elementos bicúbicos, unirlos con otro u otros de pendiente continua. Esto nos permitirá completar diseños complejos. — Definir otro elemento bicúbico por desplazamiento de cada punto según su normal "offset". Operaciones con superficies Una vez definidas las superficies, las operaciones que más se utilizan son: — Intersección con líneas y curvas — Intersección con planos — Intersección con otras superficies — Conexión con otras superficies —filetes— — Inserción de agujeros — Desplazamiento de la superficie en cada punto según su normal "offset". DEFINICIÓN DE MODELOS EN TRES DIMENSIONES En el modelado en 3-D se pretende construir y almacenar una imagen del objeto que permita su visualización desde cualquier punto de vista y la obtención de todo tipo de proyecciones y cortes por planos cualesquiera. Son tres las técnicas de definición de modelos en 3-D: 1) Alambres o barras 2) Superficies 3) Sólido Modelado de alambres: En este procedimiento se representan y alma-

cenan sólo los vértices del objeto y las líneas que los unen. Para obtener Modelo en 3D de alambres y figura que se obtiene al cortar por un plano.

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una mejor definición es necesario utilizar también unos puntos intermedios y las líneas que los unen. Es la forma más sencilla y rápida de representación y utiliza, combinándolos, los elementos de geometría básica: puntos, líneas y curvas. Presenta como inconvenientes: — El modelo es, en muchas ocasiones, ambiguo. Puede representar a varios objetos reales. — Al visualizarlo en la pantalla, se ven todas las líneas, tanto las que serían visibles como las que quedarían ocultas al estar detrás del objeto. La imagen, en dibujos complicados es confusa y muchas veces indescifrable. — Al cortarlo por un plano, aparece sólo un conjunto de puntos, intersección del plano con las aristas que ha cortado. Es imposible adivinar qué figura representa. — Al proyectar, se proyectan todas las líneas, sin separar las "vistas" de las "ocultas". — No permite efectuar c álculos de volúmenes, momentos, ni estudiar por elementos finitos, salvo estudios de barras. — No es adecuado para simular mecanizados ni para programación de máquinas de control numérico para mecanizado de superficies. Sin embargo es un modelado muy utilizado porque la información que facilita es suficiente en muchos casos y los otros métodos de construcción son mucho más lentos y precisan sistemas de mucha mayor potencia de cálculo y capacidad de almacenamiento. Modelo de superficies: Es uno de los más utilizados en la actualidad. Completa la información contenida en el modelo de alambres con la correspondiente a las caras de los polígonos definidos por las aristas. El modelo obtenido no es ambiguo y permite todo tipo de visualiza-

Modelo en 3D de superficies y figura que se obtiene al corlar por una superficie.

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ción, proyección y corte por planos cualesquiera, si bien en los cortes es incapaz de distinguir qué zona corresponde al material y cuál está vacía. Permite la eliminación de líneas ocultas. Para su construcción se utilizan las técnicas de modelado de superficies descritas. Las más usadas son: el barrido y los spilines. Los diferentes sistemas presentan diferencias muy notables en este apartado. Tanto en las facilidades y posibilidades de definición de superficies, como en el almacenamiento del modelo así como en la visualización y manipulación del mismo. Para la visualización del modelo en pantalla es fundamental disponer de colores y de iluminación de modo que la imagen parezca realmente una fotografía del sólido. La representación de superficies para una red de líneas de nivel da una imagen muy confusa por la gran cantidad de líneas que se visualizan a la vez, y en muchas ocasiones es costoso detectar fallos en la forma, o en la unión de superficies entre sí. Modelo en 3D sólido y figura obtenida por corte por un plano.

Modelado sólido: Existen varios métodos para la representación de

sólidos. Los más utilizados son:

— Los modelos de fronteras B-REP. — Los modelos de geometría constructiva CSC. En los modelos de frontera se define sólo la superficie del mismo mediante polígonos, pero se indica en qué lado de la superficie hay material y qué lado queda vacío. Y el modelo es capaz de reconocer todos los puntos, tanto superficiales como interiores, que constituyen el objeto. Se genera mediante barrido de superficies alrededor de un eje y por superficies spilines, generalmente cúbicas. En los sistemas que usan el CSG —geometría constructiva de sólidos—, el usuario genera el modelo por combinación de sólidos elementales, "primitivas". 69


Mediante escalado y movimiento se sitúan las figuras primitivas en su posición y tamaño correcto, a continuación se efectúan operaciones booleanas de unión, intersección y diferencia. A pesar de las ventajas que presenta este tipo de modelado, por la sencillez de su construcción y menor necesidad de almacenamiento en disco, hasta la fecha es menos utilizado que el de fronteras, debido a: — Escasa gama de figuras primitivas. — Imposibilidad de representar superficies esculpidas de formas complejas. — Existencia del algoritmo aproximado para la visualización. Si se desea una representación exacta, para planos o procesos de CAM, es preciso efectuar una conversión al modelo de fronteras. Ayudas a la construcción de modelos Todos los sistemas disponen de herramientas para facilitar y agilizar la creación de los modelos. Entre ellas destacamos: — Modificación del tamaño —dimensiones del modelo—. Se puede obtener un modelo semejante al dibujado, estableciendo solamente la razón de semejanza, la escala. Si se utilizan escalas distintas en cada uno de los ejes, podemos transformar cubos en paralelepípedos, esferas en elipsoides. — Traslación de modelos: El modelo obtenido se puede desplazar en cualquier dirección. Completado de un dibujo por rotación de una parte del

— Rotación: El modelo, sea cual sea su complejidad, puede girar alrededor de cualquier eje un ángulo deseado. 70


Dibujo obtenido por simetría respecto a un eje.

— Simetría: Se pueden obtener los modelos simétricos respecto a un plano y respecto a un eje. — Ayudas varias: a) Inserción en un modelo de otros modelos ya dibujados, como

figuras de librería, en el punto deseado con la orientación y tamaño necesario. b) Borrar, cortar, modificar partes o conjuntos de partes de modelo sin que se afecte más que a las zonas deseadas. c) Mallado cartesiano o cilíndrico de la pantalla, para mayor facilidad de asignación de puntos según los predefinidos por la red. d) Agrupación de entidades en una sola que puede manipularse de una sola vez. ALMACENAMIENTO DEL MODELO Los componentes geométricos son almacenados en la base de datos, de forma matemática, y referenciados a un sistema de coordenadas XYZ. Un punto estará definido por sus coordenadas (X, Y, Z). Un polígono, representado por un conjunto ordenado de puntos, sus vértices. Un círculo lo estará por su centro y su radio. Aplicando su ecuación matemática se pueden calcular los puntos que se deseen de su circunferencia, para almacenarlos y representarlos en la pantalla. Las figuras pueden, pues, almacenarse de dos formas básicas: — Implícitamente: se guardan datos de entrada y procedimientos para obtener todos los puntos necesarios. — Explícitamente: se guardan todos los puntos necesarios para la representación de la figura. 71


Este último método, precisa de más cantidad de memoria, pero mucho menos cálculo para su representación. En un modelo de barrido —SWEEP—, por ejemplo, un cilindro obtenido al girar un segmento alrededor del eje, los datos almacenados en la memoria pueden ser sólo los puntos que definen el segmento y los que definen el eje de rotación, o bien guardar la superficie generada que estará representada por las caras de un polígono que se ajusta al cilindro con el grado de precisión deseado por el usuario. Almacenamiento de un cilindro obtenido por barrido de un segmento.

Otro sistema de almacenamiento utilizado en los modelos B-REP de fronteras, es en forma de grafo. El modelo se compone de unos vértices en los que se almacenan sus coordenadas y las relaciones entre ellas para formar aristas, caras y superficies de modelo —topología—, y las ecuaciones matemáticas que las definen. En el modelado de sólido por geometría constructiva— CCS— se pueden almacenar las figuras primitivas en general explícitamente y los procedimientos, movimientos, homotecias, y operaciones booleanas para la obtención del objeto. No en todos los casos el esquema utilizado en la representación interna en memoria se corresponde con el esquema utilizado en la construcción del modelo. Es frecuente utilizar un modelado CGS o SWEEP para la creación, y en cambio un B-REP en la representación interna. VISUALIZACIÓN DE LOS MODELOS Los sistemas de diseño por ordenador permiten visualizar el modelo creado tanto una vez terminado como durante toda la etapa de su construcción, reflejando, en cada momento, su estado de avance. 72


Construcción de un modelo sólido por el método CCS.

En los terminales actuales de alta resolución y en color, la representación tiene la calidad de una buena fotografía. Si bien la representación es por puntos, y, por tanto, las curvas están en realidad representadas por polígonos, sus lados son tan pequeños, están los puntos tan cerca, que nuestra vista no distingue más que un trazo continuo. Los softwares de visualización disponen de una serie de facilidades para el usuario. Entre ellas están: 73


Dinámica de pantalla El usuario puede manipular la imagen. Las funciones más usuales son: — Zoom o posibilidad de modificar el tamaño de toda, o parte, de la imagen. Unos sistemas ofrecen el zoom continuo, mientras que en otros sólo puede efectuarse por saltos. Representación del efecto Zoom que permite variar el tamaño de la figura.

— Scroll: El operador puede desplazar el modelo arriba-abajo, izquierdaderecha, para visualizar la parte del modelo que le interese, caso de que éste no quepa todo en la pantalla. — Rotación: El usuario puede girar el modelo respecto a cualquier eje para visualizarlo desde puntos de vista distintos. — Arrastre: Se puede desplazar el modelo, o parte del mismo, por toda la pantalla, siguiendo el movimiento del cursor — Ruberbanding —estirado—: Se puede desplazar entidades del objeto y automáticamente las entidades conectadas se deformarán para no romper la figura. Es decir, como si la figura fuera elástica. — Simetría: Se puede aplicar simetría plana o axial. — Movimiento de cuerpos rígidos: Se puede simular el movimiento de un objeto o de un grupo de entidades bajo un programa de control. Todas estas utilidades permiten compensar, en parte, uno de los problemas con que se encuentra el usuario de CAD: El tamaño del objeto en la pantalla de 19", cuando está acostumbrado a dibujarlo en el tablero a tamaño real. Control de la visualización de la imagen En general la imagen se reproduce en la pantalla mediante líneas de espesor y brillo uniforme. El operador puede modificar algunos parámetros para destacar unos puntos o zonas de otras. Los más importantes son: 74


— Color. Es imprescindible, en dibujos de geometría complicada disponer de la posibilidad de asignar colores distintos a diferentes partes de la figura. — Edición de las líneas: Puede sustituirse el trazo continuo por puntos, trazos y símbolos, sea de una forma temporal para destacar una línea mientras se construye el modelo, sea de forma definitiva. — Parpadeo: El operador puede hacer parpadear puntos, líneas o agrupación de entidades que le interese destacar. Visualización del mismo objeto, en diferentes vistas, por varias ventanas.

Vistas múltiples El usuario puede representar en la pantalla la visualización simultánea de varias imágenes de un mismo objeto, sea su representación en tres dimensiones, y las vistas según planos ortogonales, sean diferentes zonas y a diferentes escalas de la misma vista. Todas las imágenes deben estar asociadas de forma que la modificación de una de ellas se refleje automáticamente en todas. Es frecuente también la posibilidad de trabajar con la pantalla subdividida en ventanas. En cada ventana se puede trabajar y representar dibujos distintos, e incluso trabajar con programas distintos, gráficos, o no en cada una de ellas. El soft de gestión de pantallas permite variar su número, tamaño y posición. Supresión de líneas ocultas Uno de los soft que ayuda más a la interpretación de figuras complejas es el de eliminación de líneas ocultas. Aunque se trabaja con modelos sólidos, el modelo definido en la base de datos contiene todas las líneas, sean aristas, sean redes definidas en las 75


superficies. Al representar el modelo en la pantalla, desde el punto de vista que deseemos, se representan todas estas líneas, estén en la zona anterior del modelo, en la posterior, o sean internas al mismo. Una representación de este tipo se comprende que, por poco compleja que s ea la figura, es totalmente indescifrable. Representación de un mismo modelo: a) completo, con todas sus líneas b) con eliminación de líneas ocultas e iluminación.

Existen programas que eliminan las líneas ocultas y en pantalla a parecen sólo las visibles desde el punto de vista escogido. Al girar el modelo respecto a cualquier eje, se pueden visualizar todos los detalles que se desea comprobar. El proceso requiere bastante capacidad de cálculo, por los que algunos microCAD no disponen de esta función. Iluminación del modelo En modelos de superficies y de sólidos, se puede simular en la pantalla la iluminación del objeto con distintas posiciones del punto de luz, y con la gama de colores disponible establecer una imagen con zonas de distinta iluminación y sombras. El resultado es una imagen perfecta, apta para estudios de "styling" de búsqueda de nuevas formas texturas y colores para los nuevos diseños.

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Cómo optimizar un modelo CAD

INTRODUCCIÓN En un mercado competitivo sólo tiene éxito el producto que ofrece mejores prestaciones a costes más reducidos. Y la etapa del ciclo productivo que incide más directamente en ambos aspectos es la del diseño. Hoy día, al proyectista se le exige que el producto, no sólo cumpla con las especificaciones marcadas y tenga una buena fiabilidad, sino que también lo haga en la forma más económica posible. El bien a economizar puede ser de muy distinta naturaleza. Según los casos será: el espacio, el tiempo, el peso, un cierto tipo de material o el consumo. Pero todos ellos podrán reducirse a coste. En los productos industriales, al hablar de coste es cada día más frecuente incluir, no sólo el producto, sino también los gastos de funcionamiento, mantenimiento y reparación, que se ocasionan durante su vida útil.

La facilidad que ofrece el CAD para la creación y modificación de modelos permite al proyectista estudiar varias soluciones y seleccionar la mejor.

La etapa de estudio, comprobación y optimización del diseño, es la que nos debe dar la seguridad de que el producto cumplirá con las características exigidas, con la fiabilidad adecuada y a unos costes competitivos. Las herramientas de que se dispone para conseguirlo son: — Modelos matemáticos que simulan el comportamiento real.

Esquema del proceso de optimización de un modelo.

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— Prototipos más o menos semejantes al producto final, que se someten en los bancos de ensayo de los laboratorios a pruebas que simulan las condiciones reales del funcionamiento. — Pilotos idénticos al producto final que se prueban un largo período de tiempo en un trabajo real. Los estudios teóricos sobre modelos matemáticos son el procedimiento más rápido y barato. Las pruebas sobre pilotos, el más largo y caro. La tendencia actual de diseño es potenciar al máximo la etapa de análisis y estudio teórico de forma que los ensayos sobre prototipo sean una mera comprobación de la bondad de los resultados teóricos, y se reduzcan las pruebas sobre pilotos a un ensayo de fiabilidad del producto, y de los medios y procesos utilizados en su obtención. Pero para ello es necesario que exista una buena correlación entre los resultados obtenidos en el estudio teórico con los de laboratorio y los reales. El apoyo del ordenador es decisivo para conseguirlo. ESTUDIOS SOBRE MODELOS MATEMÁTICOS El ordenador, con su rapidez y potencia de cálculo, permite abordar la solución, por métodos numéricos, de las ecuaciones matemáticas generales que describen el comportamiento físico del problema estudiado, adaptándolo a las condiciones de contorno existentes. El modelo geométrico representado en el ordenador precisará una adaptación al método de cálculo elegido, y una ampliación de la información existente en cuanto a características de materiales y condiciones ambientales y de trabajo. Esta etapa se denomina preproceso, y se encarga de transformar y completar los datos de entrada para el módulo de cálculo.

Esquema de un análisis matemático de un modelo en CAD.

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Una vez efectuado el proceso de cálculo, los resultados obtenidos son, en general, una gran cantidad de valores de distintas magnitudes; por ejemplo: tensión, deformación, temperatura, intensidad de corriente, potencial eléctrico, caudal, en los diferentes puntos del modelo. Para un análisis efectivo de los mismos, es necesario su representación gráfica. Mediante deformados, curvas de nivel, zonas sombreadas o de distinto color según intervalos de valores de cada variable, marcado de zonas con valores fuera de los admisibles, se puede efectuar una valoración sencilla de los resultados. Esta fase se conoce con el nombre de posproceso.

Un proceso iterativo entre diseño y cálculo, nos permitirá, no sólo comprobar cuáles de las soluciones estudiadas cumplen con las especificaciones exigidas, sino también optimizar el diseño en las variables que interesa, y siempre dentro de los límites de los resultados aceptables. La rapidez de los métodos de dibujo y cálculo por ordenador, permite diseñar y evaluar diferentes alternativas para elegir de entre ellas la mejor. Pero no conviene olvidar que, por muy complejos y precisos que sean los métodos de cálculo, los resultados no serán mejores que los datos de entrada. Si las condiciones de contorno o de trabajo no responden a la realidad, los datos obtenidos tampoco. Es fundamental conocer las magnitudes que condicionan el comportamiento real del producto: Si son permanentes o variables, si existe interacción entre las mismas, cuáles son sus valores máximos, mínimos, medios y desviaciones, frecuencias y formas de onda, etc. El microordenador aplicado a la captación de datos y señales, su análisis, estudios de correlación; es una buena herramienta para determinar qué magnitudes intervienen en el proceso y cuáles son sus valores característicos. Conocidos los datos de entrada, queda por establecer la validez del modelo. Hay que comprobar que los resultados obtenidos corresponden a la realidad. En el laboratorio o en una aplicación real, se efectuará una prueba, con los mismos datos de entrada, para buscar la correlación existente entre los resultados teóricos y los de ensayo. La optimización del modelo se presta también a ser automatizada. El ordenador puede orientar en qué sentido debe modificarse el modelo para obtener unos resultados preestablecidos, y aún más, en algunos casos y mediante procesos iterativos llegar a alcanzarlos. ESTUDIOS GEOMÉTRICOS El CAD permite obtener modelos en tres dimensiones de una perfección de forma y medidas casi absoluta. Por tanto todos los estudios de base geométrica sobre los mismos, nos darán unos resultados excelentes. Todos los sistemas disponen de módulos de cálculo que permitirán determinar: — Áreas, volúmenes y pesos. — Centros de gravedad de secciones y cuerpos. 79

El desarrollo de estudios teóricos sobre los modelos geométricos obtenidos en el CAD, permite reducir la experimentación sobre prototipos, y mejorar notablemente la productividad de las ingenierías.


Estudio de interferencias entre dos modelos.

— Momentos de inercia respec to cualquier eje y cu alquier punto. — Radio de giro Y entre los estudios más frecuentes: — Análisis de huelgos e interferencias en el montaje de unos elementos respecto a otros. — Distribución de volúmenes. — Distancias mínimas entre objetos. — Campos de visión — Desarrollos de superficies. — Anidamiento de piezas en una placa. ESTUDIOS CINEMÁTICOS Los estudios cinemáticos analizan los valores de velocidades y aceleraciones en mecanismo y presentan el área barrida por los diferentes elementos móviles. Algunos sistemas proporcionan en el terminal gráfico un movimiento aparente, por un proceso secuencial de dibujo del mecanismo en varias posiciones distintas de su recorrido. Este proceso es útil para determinar el volumen barrido, y detectar si existen interferencias con otros elementos. Otros disponen de verdaderos modelos cinemáticos que, a partir de mecanismos elementales, como, por ejemplo, palancas, excéntricas, bielas, manivelas, engranajes, levas, permiten obtener valores instantáneos de velocidades, aceleraciones y centros de rotación. ESTUDIOS ESTRUCTURALES En este campo se analiza el comportamiento del modelo sometido a un sistema de fuerzas o cargas exteriores. Se quiere determinar, en cada 80


Representación del área barrida de una biela.

punto, las tensiones y deformaciones que provocan, para no superar los límites previstos. Los procedimientos clásicos de cálculo a vida infinita, que no preven la destrucción del producto, por larga que sea la vida útil del mismo, se han sustituido por métodos de diseño a vida finita, que persiguen garantizar que sólo un porcentaje determinado se romperá antes determinar su vida útil. Con ello se ha logrado una notable reducción de peso, y por tanto de material y de coste. Asimism Asim ismo, o, la mejora mej ora de los proced pro cedimi imiento entoss de cálcul cál culo o y del conoci con oci-miento de los materiales, permite trabajar con cargas estáticas y dinámicas, introducir tensiones provocadas por procesos térmicos, considerar comportamientos no sólo elásticos sino también plásticos en materiales isótropos o anisotropos, en modelos discretos o continuos. En todos los casos, los procedimientos de cálculo se basan en descomponer el modelo, mediante un mallado, en una serie de elementos que no se interfieren entre sí, y en buscar los valores de las variables, tensiones y deformaciones en los vértices de las mallas, y, en algunos casos, en otros puntos intermedios de las aristas. En los modelos discretos, formados por barras, como puede ser por ejemplo una estructura metálica, se determina para cada barra la ecuación que relaciona la tensión en la misma con los desplazamientos en los vértices-nudos. Aplic Apl icand ando o en cada cad a nudo nud o que qu e las sumas sum as de tensio ten siones nes de todas tod as las barras ha de ser igual a la carga exterior aplicada a la misma, se obtiene un sistema de tantas ecuaciones como nudos, y en donde las incógnitas son los desplazamientos de los mismos. Se resuelve el sistema por métodos matriciales y se obtienen los desplazamientos, y en función de ellos las tensiones en las barras. 81


El análisis por elementos finitos permit per mite e el iminar imi nar el mate rial ria l menos cargado logrando notables reducciones de peso: a) Diseño previo. b) Diseño después del análisis EF.

El ordenador nos puede suministrar en la pantalla la estructura deformada superpuesta, si queremos, a la sin deformar, y representar con colores o con otras marcas las tensiones en cada barra. En los modelos continuos los procedimientos de cálculo se basan en buscar la solución de las ecuaciones diferenciales por métodos numéricos que los convierten en sistemas de ecuaciones. Los métodos más utilizados son los de: — Diferencias finitas — Elementos finitos — Integral de contorno que, si bien difieren en los procedimientos matemáticos utilizados, desde el punto de vista operativo son muy similares. El método más utilizado en el análisis estructural, es el de elementos finitos. En el preproceso, a partir del modelo geométrico disponible, se genera 82


Representación Representación del estado de tensión de un modelo.

una malla que descompone el cuerpo en elementos. El mallado puede ser automático y semiautomático. En el primer caso se define el número de tramos a insertar en cada lado y el ordenador dibuja la malla uniformemente espaciada y en el segundo se marca en cada lado los puntos de la malla deseada. La malla se debe ajustar a los elementos tipos de que se disponga el procesador. En general disponen de elementos en una, dos y tres dimensiones: — Barras de 2, 3 y 4 nodos — Superficies Superficies triangulares de 3, 6 y 9 nodos — Superficies Superficies rectangulres de 4, 8 y 12 nodos — Placas Placas triangulares delgadas de 6,12 y 18 nodos — Placas Placas cuadriláteras delgadas de 8,16 y 24 nodos — Tetraedros de 4,10 y 16 nodos — Cubos de 8, 20 y 32 nodos — Prismas triangulares de 6,15 y 24 nodos — Puntos másicos — Tubos — Muelles — Amortiguadores Los lados de los elementos pueden ser rectos, parabólicos y cúbicos. El programa debe numerar y renumerar automáticamente los nodos los elementos, y permitir una modificación interactiva de la malla. A cada elemento se le asignan las características del material. material. Por ejemplo: módulos de Young y de rigidez, coeficiente de Poisson, densidad, límites elásticos, coeficientes de dilatación, conductividad y resistividad, calor específico, isotropía, ortotropia o ansiotropía. 83


Se incluye el estado de carga que soporta el modelo: — Fuerzas y momentos en los nodos — Fuerzas y cargas repartidas en las aristas — Presiones en caras — Pesos y fuerzas centrífugas — Temperaturas y sus gradientes Se especifican las condiciones de contorno: — Puntos fijos — Traslaciones y rotaciones El procesador facilita la verificación del modelo creado, representando en la pantalla los elementos, cada uno de ellos algo separado de los contiguos, o bien coloreados para que sea fácil distinguir si se ha olvidado algún elemento, así como señalando los diferentes materiales para comprobar que se han asignado correctamente. Modelo con representación del mallado para descomposición en los elementos de estudio.

Los datos geométricos y las propiedades asociadas pasan al procesador, que, mediante interpolación, calcula los valores de los desplazamientos en cada elemento en función de sus valores en los nodos. Determina la matriz de rigidez y el vector de carga de cada elemento, ensamblando todos los elementos para obtener la matriz global del sistema y el vector de carga global, aplicando en ambos casos el método de los residuos ponderados. La resolución del sistema de ecuaciones generado, permite determinar los desplazamientos en los nudos y, a partir de ellos, el estado de tensión en cada elemento. El postprocesador facilita información escrita y gráfica de los resultados 84


Sobre el modelo se han aplicado las condiciones de carga y las restricciones de contorno.

de los cálculos: Valores en cada punto de los desplazamientos y, en cada elemento, valores de tensiones máximas y direcciones principales. Se puede representar en pantalla los desplazamientos amplificados en la escala deseada, para que sean claramente visibles, y superpuesto a la estructura sin deformar, en trazos o colores distintos. En algunos sistemas se puede visualizar el movimiento entre ambas estructuras. Se representan también las tensiones máximas en cada elemento, en función de una gama de grises o de colores para determinados intervalos de la tensión. Se indican también, en cada caso, las direcciones principales. Algunos programas proporcionan una estimación del error de cálculo provocado por la aproximación por métodos numéricos, así como indicaciones de modificación de la malla, para minimizar este error. Son los procesadores autoadaptables. Se están desarrollando, también, sistemas que optimicen el diseño, mediante métodos iterativos, en función de unas condiciones fijadas por el proyectista. El análisis de los modos normales de vibración, es decir, no forzados y sin amortiguación, permite determinar las frecuencias propias y la situación de los nodos, así como simplificar los análisis dinámicos al permitir reducir los grados de libertad del sistema —reducción dinámica— Con ello se puede estudiar las respuestas a estados de carga transitoria, cargas sinusoidales estacionarias, excitaciones aleatorias e impactos. ESTUDIOS DE REDES DE DISTRIBUCIÓN Las redes de distribución eléctrica, hidráulica y neumática, formadas por modelos discretos de conducciones y nudos de distribución, se estudian con los mismos procedimientos matemáticos que los utilizados para el 85


cálculo estructural de modelos discretos. Las variables a determinar son los potenciales en los nudos, equivalentes al desplazamiento, y las intensidades o caudales en las conducciones —equivalentes a las tensiones— El sistema de ecuaciones que relaciona potencial en nudos, al igualar a cero la suma de intensidades o caudales en cada nudo, permite buscar los valores de las variables en nudos y tramos. ESTUDIOS DE CAMPOS Los campos gravitativos, eléctricos, magnéticos, de velocidades de fluidos, pueden estudiarse mediante métodos variacionales aplicados a su función potencial, o bien por métodos de diferencias finitas y elementos finitos. En todos los casos se efectúa un mallado del modelo geométrico que define el contorno del campo. Por métodos numéricos se obtienen los valores de los potenciales en los nodos, y las intensidades en los elementos. El procesador permite visualizar la red de líneas de fuerza o de corriente, y la red de superficies equipotenciales. COMPROBACIÓN Y SIMULACIÓN DE CIRCUITOS Los programas de CAD específicos para diseño de circuitos eléctricos, electrónicos, hidráulicos y neumáticos, incorporan módulos de análisis y simulación del funcionamiento del circuito y de cada uno de sus elementos. Forma de onda en diferentes puntos de un circuito eléctrico.

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En general constan de un conjunto de primitivas o células elementales en las que el simulador dispone de información de las funciones que desarrollan. El esquema del circuito se constituye por grupos de estas primitivas interconectadas entre sí. A partir de la señal o datos de entrada se recorre el circuito, elemento a elemento, obteniendo la señal en los puntos de salida o en los intermedios que se desee. Los postprocesadores, o programas de visualización, permiten presentar en la pantalla las formas de onda en los puntos deseados. Los simuladores integrales proporcionan, además, información sobre la velocidad de operación del sistema y permite determinar los retrasos de las señales en unos puntos con respecto a otros. CÁLCULOS Y SIMULACIONES ESPECÍFICAS En todos los procesos físicos e industriales se puede diseñar un modelo matemático, más o menos complejo, que permita efectuar un análisis y una simulación del mismo. Muchos de estos modelos, o sus procedimientos de creación y análisis, están incorporados en los programas de CAD especializados en cada área —ingeniría civil, mecánica, eléctrica, electrónica, química—. Si no es así, el mercado ofrece una amplia gama de programas de cálculo y simulación que podremos incorporar a nuestro equipo. La relación es interminable, hay tantos como procesos, elementos, sistemas e instalaciones en todas las áreas industriales. Sólo como ejemplo citaremos unos pocos: En ingeniería civil encontramos, además de los programas de análisis estructural, programas para problemas de iluminación, calefacción, aire acondicionado, mecánica del suelo, acción del viento sobre estructuras, contaminación, propagación de humos, redes de distribución. Análisis de frecuencias de ruido en un banco de pruebas de motor.

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En ingeniería química encontramos programas de estudio de simulación de procesos - combustión - destilación - reacciones - propagación de llamas; de elementos - evaporaciones - refrigeradores - calderas -hornos; y de instalaciones completas. En ingeniería mecánica, simulación de todo tipo de mecanismos, métodos de cálculo de elementos de máquinas, simulación de mecanizado de piezas, de ensamblado de conjuntos, análisis de vibraciones, de ruidos, térmicos. En ingeniería eléctrica y electrónica, simulación de elementos, circuitos analógicos y digitales, microprocesadores, procesos de fabricación de circuitos integrados. EXPERIMENTACIÓN SOBRE PROTOTIPOS Si bien una buena etapa de análisis y simulación sobre modelos matemáticos permite optimizar el diseño es, en muchos casos, imprescindible efectuar una comprobación de los resultados teóricos comparándolos con los obtenidos en la realidad. Sólo podemos prescindir de la experimentación si por desarrollos anteriores disponemos de garantía de la fidelidad del modelo y conocemos la correlación que existe entre teoría y práctica. Ensayo de características. Obtención de la curva de un motor.

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Pero la experimentación la podemos clasificar en dos grandes apartados: — Ensayo de comprobación de características. — Ensayos de duración. Los ensayos de características, es decir, la comprobación de que el producto cumple con las especificaciones del diseño, son, en general rápidos y no destructivos, es decir, baratos tanto en plazo como en coste. Los ensayos de duración persiguen conocer la evolución del producto en su vida industrial, y comprobar que sus prestaciones se mantienen dentro de los límites estipulados y que no se han producido deterioros importantes en ninguno de sus componentes. Excepto en los bienes de consumo, la vida útil de un producto industrial, es de varios años, y evidentemente, los plazos de diseño de un producto nuevo no pueden ser tan largos. Pero, por otro lado, el mercado nos exige un nivel de calidad y fiabilidad muy elevado. Para conjugar ambas exigencias, es decir, garantizar un producto fiable en un plazo de diseño corto, es necesario realizar experimentación en laboratorio. El problema básico a resolver es que el ensayo sea representativo, es decir, que los resultados obtenidos concuerden con los de servicio real, a pesar que no se podrán simular exactamente todas las condiciones de servicio, y que el tiempo de ejecución será mucho más reducido que el real. Para alcanzar un buen resultado, el ensayo ha de prepararse muy bien. Las fases a seguir en la preparación son: 1) Determinar qué sistemas y componentes se van a probar. Es imposible probarlo todo. 2) Determinar el tipo de prueba: a) Destructiva o no b) En condiciones normales o acelerada c) Qué piezas y datos deben controlarse 3) Determinar la cantidad de prototipos que deben probarse para que los resultados sean estadísticamente significativos. 4) Ejecutar cuidadosamente la prueba, sobre un prototipo significativo. 5) Sistematizar y analizar los resultados de ensayo. La aplicación del ordenador en todas las fases de la experimentación, es una ayuda importante para conseguir un buen resultado. PREPARACIÓN DEL ENSAYO En un ensayo el prototipo se somete a unas condiciones de trabajo que simulen las reales. Para conseguirlo, lo primero es conocer cuáles son éstas. A partir del conocimiento de qué magnitudes intervienen en el proceso -tensiones, deformaciones, temperaturas, potenciales, intensidades-, se procederá a la medición de las mismas. Como en general no serán estacionarias, debe establecerse un sistema de adquisición, reducción y análisis de señales. Unos captadores proporcionan una señal analógica con los valores de la magnitud en el tiempo. En general se precisará 89

Los modelos matemáticos utilizados en el cálculo teórico precisan en todos los casos de una comprobación experimental. Los resultados obtenidos por cálculo sólo pueden considerarse fiables si el modelo ha sido validado.


más de una señal, y disponer de una misma base de tiempos para poder establecer relaciones entre ellas. La instrumentación completa requiere amplificadores, convertidores analógico-digitales, grabadores en cinta o diskette y microprocesadores con un soft correspondiente para el análisis y reducción de las señales y con capacidad para generar una presentación gráfica de los datos. Permite la edición de la señal para eliminar datos espúreos como ruidos, interrupciones, picos, e incluso zonas de señales de bajo nivel que no sean significativas para el estudio. El análisis de la señal proporciona datos estadísticos de la misma como: — Valores medios y eficaces (rms). — Factores de crestas e irregularidad. — Histograma de frecuencias relativas. — Estadísticas de picos y valles con: a) Valores máximos y mínimos b) Histogramas de frecuencias — Contaje de ciclos que permiten, si procede, almacenarla en forma simplificada o reducida. Conocidas las condiciones de trabajo interesa determinar cómo podemos acelerar las pruebas en el laboratorio para reducir los tiempos de ensayos. Existen dos técnicas básicas: — Aumentar la "dureza" de las pruebas — Aumentar el número de pruebas La primera se basa en que la vida útil de una pieza es función del valor de las magnitudes que se le aplican en entorno funcional. Estas magnitudes pueden ser: fuerzas, presiones, tensiones, temperaturas, corrosión.

Efectuando el ensayo a una tensión mayor que la normal se reduce el tiempo de ensayo.

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Todas ellas las incluiremos en un concepto genérico de tensión. A mayor tensión de trabajo menor es la vida útil del producto. Si conocemos la curva que relaciona la tensión-vida del producto, es decir, para cada estado de tensión los meses de duración del producto, en vez de ensayar el producto correspondiente en las condiciones normales de funcionamiento, lo probaremos con otra magnitud de la tensión tal que reduzca el tiempo de ensayo a valores admisibles. En la segunda técnica, cuando los elementos a probar o las pruebas son sencillas y no pueden variarse las tensiones de trabajo, en función de la distribución de los fallos respecto la vida media del producto se puede determinar por métodos estadísticos el lote y el tiempo de prueba que da resultados significativos. EJECUCIÓN DEL ENSAYO En el desarrollo de la prueba se reproducen las condiciones de trabajo que se han medido en la realidad, deforma que captadores colocados en los mismos sitios que hemos medido nos facilitan la misma señal en las pruebas no aceleradas, o bien la señal patrón equivalente en los ensayos acelerados. Para ello se confía a un microprocesador el conseguir la señal deseada. El microprocesador envía una señal a unos actuadores, y capta la forma de la señal generada en los puntos de medición. El cálculo de la matriz inversa de transferencia entre señales de entrada y salida le permite regular de forma iterativa la señal en el actuador hasta conseguir que el captador reproduzca con suficiente exactitud la señal patrón. Esquema de un ensayo de predicción de vida a fatiga.

En el ensayo, aparte de los captadores colocados en los puntos de control, se incluirán los necesarios para recoger los valores de las magnitudes que interese en los puntos deseados. Entre los sistemas pruebas dinámicas como el descrito, el más extendido es el de pruebas de fatiga. 91

Las pruebas aceleradas son hoy día una de las técnicas más utilizadas en los laboratorios de ensayo.


Se basa en la monitorización y control por un ordenador de unos cilindros hidráulicos que actúan sobre la pieza a ensayar y provocan en los puntos de control unas formas de onda y valores de tensiones, deformaciones o aceleraciones iguales a las deseadas. Estas se han establecido para que, con un número de ciclos determinado se alcance el mismo grado de fatiga que el correspondiente a toda la vida útil de la pieza en las condiciones normales de trabajo. Esta equivalencia, en uno de los métodos, se consigue por igualdad en los dos casos del daño acumulado en función de los ciclos de histéresis que el material ha soportado. La utilización del ordenador en la edición de la documentación técnica —planos, listas y manuales— permite garantizar la coherencia entre toda la información, así como una sencilla puesta al día.

Evidentemente los sistemas de pruebas dinámicas, como el descrito, son complejos y caros. En muchas ocasiones es suficiente comprobar el funcionamiento y la duración en condiciones estacionarias, si bien con distintos valores de las variables en intervalos o pruebas diferentes. En este caso basta recoger valores medios de las magnitudes que intervienen en el sistema para su tratamiento postrerior. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS El ordenador es también una herramienta muy útil para el análisis de los resultados de ensayos. Su capacidad de ordenar y clasificar los datos permite obtener listas de todo tipo para descubrir en qué punto aparecen valores peligrosos, anormales, máximos o mínimos. Permite representar los datos en forma gráfica, estableciendo los niveles si procede, permitiendo un análisis global o una comparación rápida de resultados. El análisis estadístico de las series de datos permite establecer medias, desviaciones, curvas de regresión, correlaciones entre variables e intervalos de confianza.

Ejemplo de presentación de datos. Colina de consumo de un motor térmico.

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El tratamiento estadístico de los resultados de ensayo permitirá comparar entre distintos ensayos para ver si las diferencias son significativas, eliminar los valores erróneos de las series de datos, evaluar a partir de los resultados los valores medios y desviaciones en la producción en serie. BASES DE DATOS DE ENSAYOS Para un ensayo asistido por ordenador es fundamental disponer de una buena base de datos en donde se almacena las condiciones del ensayo con los resultados obtenidos. Un trabajo sistemático de análisis y búsqueda de correlaciones permitirá desarrollar unas pruebas cada vez más significativas y rápidas con menor generación de datos de resultados inútiles o redundantes. Se reduce el número de pruebas a medida que se conoce más el comportamiento del producto. Base de datos de materiales para ensayos de fatiga.

Una parte importante de esta base de datos es la correspondiente a propiedades y características de los materiales utilizados.

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Cómo documentar un modelo por ordenador

INTRODUCCIÓN Si bien el CIM habla de una integración total de los procesos productivos, desde el diseño a la entrega del producto terminado al cliente, y la fábrica del futuro describe una fábrica sin papeles, en el estado actual de la tecnología es necesario, todavía, documentar los diseños por ordenador según los planos clásicos y listas de materiales. La documentación emitida debe permitir acoplar, fabricar y montar el producto diseñado, comprobar su calidad y prestaciones, y facilitar su uso, mantenimiento y reparación. Esta información consiste en: — Croquis o planos de instalación o montaje. — Planos de detalle de todas las piezas. — Listas de composición del producto. — Normas de recepción, fabricación y verificación de piezas. — Fichas de descripción y características del producto. — Manuales de uso y entretenimiento. — Catálogos de recambios y manuales de taller. Ejemplos de documentación típica de un diseño.

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Para cubrir todas estas necesidades de información el ordenadores una herramienta fundamental para facilitar su confección, y aún mucho más para mantener al día las modificaciones y asegurar la coherencia de datos entre todas las publicaciones. Se utiliza para ello la clásica informática de gestión de datos, para el tratamiento de listas de materiales y catálogo de recambios; la informática gráfica para la obtención de esquemas y planos; el tratamiento de textos para normas; y la informática gráfica asociada al texto para manuales. El disponer de una base de datos integrada permitirá que en todos los papeles la información para un mismo dato sea la misma. Se puede evitar la típica incoherencia entre lo especificado en el plano, lo que dicen las listas de montaje y lo que se lee en el manual de servicio. En caso de instalar equipos autónomos para las diferentes aplicaciones, por ejemplo un micro para tratamiento de textos en manuales, otro micro de CAD para dibujo de planos, y un micro para aplicaciones de gestión, equipos que en general dan para cada área prestaciones superiores que un ordenador único, debe procurarse la compatibilidad de las mismas para, de momento, poder intercambiar información y en una etapa posterior lograr su integración en una red local de comunicaciones. EL DIBUJO POR ORDENADOR Todos los paquetes de soft para CAD permiten la obtención de planos con el grado de acabado necesario —cotas, textos— para su utilización directa en producción. Existen también productos de CAD en dos dimensiones pensados especialmente para dibujo, mucho menos complejos que los de tres dimensiones, y que no precisan ni de la potencia de cálculo ni de la capacidad de almacenamiento que éstos requieren, y pueden, por tanto, instalarse sobre PC de bajas prestaciones. Si la aplicación que queremos es la de automatizar el dibujo y obtención de planos, que en muchos casos es la única que se precisa, estos paquetes de CAD en 2 dimensiones son mucho más baratos y sencillos de instalar y, a nivel de dibujo, dan las mismas prestaciones que las que puedan obtenerse en el más completo soft de 3D. Como en todas las aplicaciones de la informática, al utilizar el ordenador para el dibujo, se tiene que plantear la modificación de los procesos de dibujo para aprovechar al máximo las posibilidades que ofrece el nuevo equipo. Hay que procurar que el terminal gráfico no se convierta sólo en un tablero electrónico que se utiliza para hacer exactamente lo mismo que en el tablero de dibujo, sólo que más rápido. La máxima productividad del equipo se obtendrá cuantos menos dibu jos o partes de dibujo nuevos tengan que proyectarse. Tanto mayor productividad se obtendrá cuanto mejor dotado esté el sistema, tanto en soft como en base de datos para que un plano se obtenga por copia, modificación, simetría, inserción de figuras de librería, es decir, por reproducción de dibujos ya hechos. Los pla nos contienen en general más de una vista de la pieza. Si se 95


dispone de un modelo en 3 dimensiones es interesante que estas vistas estén asociadas al modelo para que, cualquier modificación del mismo, se refleje si procede en todas las vistas del plano. En el caso de utilizar métodos en 2D es el proyectista el que debe ocuparse de la coherencia de las vistas. Los sistemas en 3D separan, en general, dos formas de trabajar en la estación gráfica: — La forma modelo, en la que toda información que se introduzca queda asociada al modelo y puede reproducirse en todas las visualizaciones del mismo. — La forma dibujo, en la que los datos que se incorporan sólo afectan y son reproducibles en el dibujo o plano a que están asociados. Librerías: Un sistema de dibujo en CAD bien utilizado dispondrá de una

amplia librería de figuras, símbolos y textos, fácilmente accesible, de forma que el dibujo de nuevos elementos se convierta en una especie de mecano, es decir, de composición a partir de los elementos de librería. La librería se organiza en forma jerárquica, agrupando los elementos por las características que se desee, por ejemplo: forma, función o aplicación. Cada elemento se identifica por su nombre. En una librería completa encontramos en general: Los elementos de librería se organizan por hojas para simplificar su localización.

— Librería de símbolos o pequeñas figuras a insertar en el plano, como por ejemplo: símbolos de mecanizado, de circuitos neumáticos o electrónicos, etc.

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— Librería de formatos: indicando dimensiones de planos, cajetines. — Librería de elementos de dibujo: como roscas, muelles, taladros, colisos, refundidos, etc. — Librería de piezas estándares, en diferentes vistas, de utilización frecuente en muchos planos como: tornillos, tuercas, pasadores, arandelas. — Librería de textos: como las notas y frases repetitivas. Los elementos de librería al insertarlos en un plano pueden modificarse en tamaño y orientación. Según como estén definidos pueden modificarse, o no, en su contenido. Al modificar un elemento de librería debe tenerse en cuenta que la modificación puede reflejarse en aquellos planos en que haya sido insertada en el momento que dichos planos se actualizan. Geometría básica: Los planos estarán formados por el conjunto de vistas, secciones y detalles necesarios para una definición clara y unívoca de la pieza representada.

Si se dispone de un sistema en 3D y se ha construido el modelo de la pieza, todas las vistas y detalles que figuren en el plano es preferible obtenerlos por proyecciones y secciones del modelo. Con ello se consigue la asociatividad entre modelo y plano. Pero para que las vistas y secciones obtenidas sean utilizables, el modelo debe estar definido por superficies o por sólidos, y en muchas ocasiones el único modelo que se dispone es de alambres y puede resultar más costoso transformarlo a superficies que obtener las vistas y secciones, como si se tratara de nuevos dibujos en 2D. Evidentemente, en éste caso, no hay asociatividad entre modelo y planos. En el dibujo en 2D se utiliza la misma geometría básica que en el 97

Las líneas de proyección facilitan el dibujo simultáneo de varías vistas.


modelo en 3D. En realidad el sistema opera siempre con una metodología de 3D, en la que se define una de las cotas siempre a valor cero. Las posibilidades de trazado de puntos, líneas, círculos y resto cónicas, así como el ajuste de curvas por puntos son las descritas en el capítulo de construcción de modelos. Pero se incorporan también una serie de facilidades para ayudar al dibujo de las vistas y para completar los planos. Entre ellas destacamos: — Líneas de proyección que permiten que al situar un punto en una vista se visualizen en pantalla las rectas que proyectan este punto en el resto de vistas, sobre las que estarán situados los puntos homólogos. — Rayados: definiendo el perímetro de la zona a rayar, espesor, distancia y orientación de las líneas se efectúa el rayado automático de toda la zona. Se pueden elegir también distintos tipos de rayados: continuo, a puntos, a trazos o con caracteres especiales. El rayado se puede asociar al polígono que afecta, de forma que al modificar su perímetro, el rayado se adapta automáticamente a la nueva forma descrita. Para obtener un rayado el delineante se limita a señalar el perí metro y elegir el tipo de rayado.

— Acotado: En el dibujo por ordenador, el acotado se convierte en un proceso automático de chequeo de que las dimensiones del dibujo son correctas. Como el ordenador conoce las cotas de los puntos, puede facilitar la distancia entre los mismos, visualizarla en la pantalla y el usuario comprobar que es la cota correcta. El ordenador dispone de programas para facilitar: — Distancia entre dos puntos — Distancia entre un punto y una recta 98


— Distancia entre un punto y un plano — Distancia entre dos líneas — Ángulo de una recta c on el eje de coorden adas — Ángulo entre dos rectas que se cortan — Longitud del contorno de u na figura — Área de cualquier curva cerrada formada por rectas, cónicas o curvas El acotado puede ser automático o semiautomático. No todos los manuales coinciden sobre las definiciones de estos términos. En el acotado semiautomático el usuario señala sólo los puntos a acotar. El ordenador hace el resto.

En el acotado semiautomático, cuando el operador señala dos puntos, el inicio y el final, de la línea a acotar el sistema debe facilitar automáticamente todos los elementos necesarios: líneas de acotado, cota con sus flechas, valor de la cota y recuadro, si se utiliza, y visualizarlo en la pantalla en la posición correcta señalada por el usuario. En dibujos complejos, a veces el acotado semiautomático sitúa las cotas, por falta de espacio en posiciones que pueden dar lugar a confusión. En estos casos el operador puede modificar la posición, forma y tamaño del acotado para clarificar el dibujo. En el acotado automático: el ordenador facilita, en una sola instrucción todas las cotas. La utilidad de este tipo de acotado está limitado a dibujos muy sencillos, ya que en general proporciona distancia y ángulos respecto a los ejes de coordenadas, en vez de dar distancias entre puntos de la figura. El resultado, a poco complejo que sea el dibujo, es impresentable. Su utilización más frecuente es para el acotado de puntos, taladros, en una superficie. Una característica interesante de los sistemas de acotado es la asociatividad de la cota. Permite que al modificar la longitud de un segmento, automáticamente se actualice el valor de la cota y viceversa, si se modifica 99


Ejemplo de acotado automático. En planos complejos no es útil por la gran cantidad de cotas que genera.

la cota, todo el dibujo se modifica de acuerdo con el nuevo valor. Tolerancia: El ordenador puede disponer en memoria de una norma de

tolerancia, por ejemplo: DIN-ISO de forma que al especificar el tipo de ajuste se visualice el valor numérico de la tolerancia en la cota. El operador puede seleccionar la forma y posición de las tolerancias y modificar sus

Si se dispone de módulo de asociación de cotas, al modificar el dibujo, se modifica automáticamente el valor de la cota y viceversa.

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valores. En un conjunto de varias piezas, todas ellas con tolerancia se puede determinar las dimensiones globales y la tolerancia total. Al determinar la tolerancia global, el ordenador puede calcular bien un resultado aritmético al considerar los valores extremos para obtener las máximas tolerancias, o bien dar un resultado estadístico considerando los valores nominales como los valores medios de las piezas fabricadas, y que las desviaciones sobre éstas vienen dadas por su función de probabilidad. Textos: En el terminal gráfico se pueden introducir los textos letras,

números y símbolos necesarios para completar el plano con referencias de piezas, materiales, tratamientos, referencia a normas y notas aclaratorias. El texto se puede agrupar en "etiquetas" que estarán referenciadas a una entidad o a una posición determinada. Se puede elegir un amplio catálogo de tipos de letra —fuentes— y los caracteres pueden ampliarse, variar su altura, anchura e inclinación y espesor. Se dispone de un editor de texto que facilita la composición, permitiendo borrar, añadir, modificar, insertar, y sustituir hasta completar el texto deseado. Una vez archivado en un fichero de textos el sistema permite extraer toda o parte del mismo y situarlo en la posición deseada por el operador. A cada entidad gráfica se le puede asociar atributos, es decir, información alfanumérica que identifica o describe características de la entidad, como por ejemplo: número de pieza, denominación, material, color, tratamiento superficial o térmico. Así se puede incluir en el plano tablas o listas que completan la información, por ejemplo: vista de piezas de un conjunto, tabla de longitudes, especificación de los cables de una instalación eléctrica. Una vez completado el dibujo con toda la información gráfica y nográfica asociada, se procederá a su archivo en la base de datos del sistema. A partir de ella se podrán obtener por los plotters las copias de planos que se desee, así como explotar la información alfanumérica obteniendo listas de materiales, aplicación de normas, composición de conjuntos, aplicación de piezas a modelos y en general todo tipo de información sobre características, modificaciones y fechas de actualización.

OPTIMIZACIÓN DEL DIBUJO POR ORDENADOR Las normas y procedimientos de dibujo que mejoran la productividad de una oficina de diseño son igualmente válidos en el CAD. Es más, en muchas ocasiones, el ordenador facilita su seguimiento y control. Entre los temas a considerar destacamos: Codificación En todas las empresas se generan muy pocas piezas realmente nuevas. La mayoría, aún las que se aplican en los nuevos productos son variaciones de piezas anteriores. Es, en general, mucho más rápido modificar un dibujo existente que 101

El CAD es un eficaz colaborador en el mantenimiento de normas y estándares de diseño, tanto a nivel de producto como de operación.


Ejemplo de plano completo obtenido en CAD - PLANO.

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dibujarlo de nuevo. Pero para ello se precisa disponer de un sistema ágil que nos permite encontrar fácilmente los dibujos de las piezas similares existentes. Estos sistemas están basados en procedimientos de codificación que agrupan las piezas con características o funciones parecidas: Codificación por nombre: Existen varios sistemas de codificación más o

menos complejos. Entre los más simples destacamos la codificación por los nombres o denominación: engranajes, ejes, tornillos, conectares, etc. Tienen el inconveniente de que para una misma pieza distintos proyectistas utilizan distintos nombres —eje, bulón, pasador—, y a veces es difícil saber en qué grupo estará incluida una pieza determinada. Se puede paliar este inconveniente creando un "nomenclátor" o lista de nombres establecidos para cada tipo de piezas, con indicación de los sinónimos.

Presenta también el inconveniente de que bajo un mismo código coexisten piezas de forma muy distinta, lo que obliga a analizar muchos planos para encontrar el buscado. Codificación por función o aplicación: Este tipo de codificación se basa

en la agrupación de piezas por las funciones que realizan en un producto o grupos de producto. En general se basan en una codificación por nombre que se subclasifica por las diferentes funciones o aplicaciones en que se utilizan. 103

Ejemplo de codificación de piezas piezas por por nombr nombre ey subcodificación por función.


Tecnología de grupos: Es una filosofía de mecanización basada en la

agrupación de piezas en familias, formadas por similitud de diseño y proceso de fabricación. Puede ser la base de una posible integración de la información de CAD-CAM. Entre las codificaciones más utilizadas están: a) OPITZ es un sistema de codificación desarrollado en la universidad

de Aachen en Alemania. Consta de 13 dígitos. Los cinco primeros "código de forma" describen las características principales del diseño. Los cuatro siguientes, "código suplementario", indican características para el mecanizado. Los cuatro últimos, "código secundario", identifican las operaciones de producción y su secuencia. Es un tipo de codificación muy completo de estructura jerárquica y de aplicación bastante compleja. b) Miclass, desarrollado por TNO, Holanda, consta de 12 dígitos en el

que los 8 primeros dígitos dan información sobre forma y tamaño, los dos siguientes de tolerancia y los dos últimos de materiales. Existen programas de ordenador, que en algunos casos se incluyen dentro de los paquetes software de CAD, que permiten la codificación de forma interactiva. Ejemplo de codificación basado en una técnica similar al MICLASS.

c) CODE, sistema desarrollado por MDSI en EE.UU. tiene ocho dígitos.

Cada dígto puede tomar 16 valores. El primer dígito indica la forma principal. Los dos segundos dan información complementaria sobre la forma ligada a su proceso de mecanización. Los tres dígitos siguientes se complementan con las operaciones restantes de mecanizado y los dos últimos se utilizan para codificar el tamaño. Todas estas codificaciones implican grandes ventajas en la estandarización tanto del producto como de los procesos de fabricación y son muy adecuados para grandes empresas con productos complejos. En la mediana y pequeña empresa con producto más especializado no se precisan estos complejos métodos de codificación. Unos sistemas 104


Ejemplo de codificación de pie zas que permit per mite e un u n fáci f ácill acceso a un fichero de piezas similares.

Un buen sistema de codificación permite una fácil localización de piezas similares y evita la proliferación de nuevas referencias. sencillos de familias por nombre o por forma son suficientes para cubrir las necesidades de estandarización. Estos códigos, completados con dos o tres dígitos para distinguir las variantes acostumbran a ser suficientes para identificar las piezas y disponer al mismo tiempo de un sistema ágil de identificación de piezas similares. Otro tipo de codificación a tener en cuenta es la que nos define la estructura del producto y que permite localizar las piezas dentro de la misma, e identificar para un producto determinado la referencia de la pieza que cubre una función dada. En general la técnica más utilizada es la descomposición del producto en grupos funcionales —agrupación de piezas que entre todas cubren una función— y de estas en subgrupos. Estandarización: La estandarización, tanto del producto como de sus

componentes, es una de las técnicas esenciales para limitar la creación de piezas —planos— distintos para cubrir una misma función. Para piezas pequeñas y sencillas existen normas de amplia base de utilización entre las que se puede seleccionar el grupo reducido de piezas adecuado para nosotros. Los sistemas completos, que cubren todas las necesidades de la industria, son demasiados amplios para una empresa en particular. Para piezas más complejas deberemos crear nuestro propio sistema de estandarización apoyándonos en el sistema de codificación más apropiado. Pero la estandarización debe abarcar también los métodos de representación. Es curioso contemplar en muchos planos la gran cantidad de información no necesaria que contienen. Tornillos y tuercas dibujadas hasta el último detalle, rosca incluida; el mismo elemento en múltiples posiciones y en todas ellas representado minuciosamente; piezas con simetría axial o polar dibujadas completamente. Una estandarización de los métodos de 105


dibujo puede reducir notablemente los tiempos de delineación. Dibujo parámetrico: En el dibujo manual, una de las formas de reducir el

número de planos es la utilización de planos múltiples o planos carta, en los que una o varias cotas se representan con letra y en el plano figura una tabla con los valores numéricos correspondientes para las distintas referencias utilizadas. Tienen el inconveniente que al no estar las figuras dibujadas con cotas reales pueden inducirá errores de interpretación. El diseño paramétrico que ofrecen los sistemas CAD permite figuras con parámetros en vez de cotas, de forma que se puede obtener un plano de cada pieza, automáticamente, en cuanto el operador introduzca valores numéricos para los parámetros. Disponemos pues de las ventajas de los planos múltiples junto con las de disponer de un plano para cada referencia y con las medidas correspondientes a los valores de las cotas. Una buena librería de dibujos paramétricos proporciona una elevada productividad de diseño.

LISTAS DE MATERIALES O DE ESTRUCTURA DEL PRODUCTO Al efectuar el lanzamiento de un producto o producción, el departamento de ingeniería, junto con los planos, emite la lista de referencias de piezas en que se descompone el producto. Acostumbra a ser una lista estructurada en forma de árbol, en donde el primer nivel se descompone en una serie de grupos, de nivel 1; éstos en subgrupos de nivel 2; éstos a su vez en conjuntos de nivel 3 y piezas de unión; los conjuntos en subconjuntos, y así sucesivamente hasta llegar a la última pieza simple, que será una pieza terminada o grupo acopiado de proveedor o una pieza o material en bruto. En la lista se indican las unidades de cada referencia necesarias para montar el conjunto de nivel superior. A partir de estas listas se obtienen las bases de datos de fábrica para los procesos de gestión de materiales. Es frecuente que el tratamiento de estas listas esté ya mecanizado y que ingenería disponga de una base de datos de listas de materiales, integrada o no, con la de producción. Evidentemente los datos de composición de un conjunto contenidos en la lista deben ser coherentes con los indicados en el plano correspondiente. El dibujo por ordenador nos permite garantizar esta coherencia al permitirnos obtener las listas de materiales a partir de la información contenida en el plano. Para ello, en los planos de conjuntos será necesario asociar a cada componente, su referencia numérica y la cantidad de piezas que se montan. En un fichero aparte, se puede grabar la denominación correspondiente a cada referencia y otras informaciones como código de piezas similares o referencias de proveedor. Como en muchas ocasiones será difícil integrar la base de datos de materiales existentes con la propia del sistema CAD, será preciso programar 106


una aplicación que a partir de la base de datos del CAD la actualice automáticamente. En función de las propiedades que se asignen a las entidades geométricas de los planos se puede emitir más información que facilite la labor de las ingenierías de proceso como: — Listas de coordenadas de puntos singulares. — Listas (de-a) de cables o tuberías. — Listas de aplicación de piezas a productos. — Longitudes totales de cables de distintas características. — Metros cuadrados o kilos necesarios de distintos materiales. — Lista de normas aplicadas y a qué piezas.

DOCUMENTACIÓN COMERCIAL La documentación comercial del producto está constituida básicamente por: — Catálogos de recambios — Folletos de descripción del producto — Manuales de uso y entretenimiento — Manuales de servicio En todos los casos la utilización de la base de datos creada en el CAD proporciona una gran agilidad en la obtención de la documentación y garantiza la coherencia de los datos en todas las publicaciones. La información del catálogo de recambios puede obtenerse casi directamente de los datos de diseño utilizando los dibujos de los conjuntos y su lista de materiales, en la que se habrá indicado, mediante un código si la pieza se suministra o no como recambios. En ocasiones los dibujos en técnica —vistas y cortes— son distintos de los utilizados en las páginas de los catálogos de recambios-conjuntos explosionados. Muchos sistemas ofrecen la posibilidad de la obtención casi automática de las explosiones de conjuntos. Por otro lado es cada día más frecuente que los conjuntos se representen en su origen por vistas explosionadas con elementos dibujados con muy poco detalle y siguiendo una secuencia de montaje. Esto hace el dibujo muy rápido de obtener con figuras simples de librería, fácil de interpretar y directamente utilizable como gráfico de fase en montaje y como lámina del catálogo de recambios. Los folletos comerciales de presentación del producto, los libros de uso y mantenimiento o reparación se componen de fotografías, esquemas, gráficas de prestaciones, características y los textos asociados correspondientes. Si el diseño se ha efectuado totalmente por ordenador, en la base de datos del CAD encontraremos toda la información gráfica necesaria, con una calidad y colorido mejor que la mejor de las fotografías. Y si no es así el sistema nos permitirá dibujar las ilustraciones deseadas utilizando su capacidad gráfica. 107

La obtención de la documentación técnica para la red comercial a partir de la base de datos del CAD, es una de las ventajas que ofrece esta tecnología.

Implantación del diseño asistido por ordenador

INTRODUCCIÓN Según el "Center of Productivity of the National Sciencie Foundation", la tecnología del CAD-CAM es la que tiene más potencial para incrementar la productividad desde la aplicación de la electricidad. Muchas compañías en todo el mundo, en todas las áreas industriales, de todos los tamaños, desde las multinacionales de automoción a pequeños talleres de matricería, desde empresas textiles a profesionales del diseño industrial o civil, utilizan ya esta tecnología para reducir los plazos y costes del lanzamiento de productos nuevos. El mercado del CAD-CAM ofrece una amplia y variada gama de productos, así como soluciones particulares para cada aplicación, grande o pequeña, puntual o integrada, de cientos de millones de pesetas, o de unos centenares de miles. Cualquiera que sea el tamaño de la empresa, y de actividad industrial, podemos encontrar en el mercado un sistema de trabajo por ordenador a nuestro alcance, capaz de mejorar la productividad, de forma tal que la inversión pueda quedar rápidamente amortizada. Pero el proceso de definición, selección, instalación y puesta en marcha del equipo es complejo, pudiendo durar varios meses. En caso contrario Esquema del proceso de selección de un equipo CADCAM.

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nos exponemos a que en vez de comprar el sistema más adecuado a nuestras necesidades, nos vendan uno que no lo es, o bien adoptamos soluciones puntuales que más tarde será difícil o imposible incorporar a un sistema integrado. DEFINICIÓN DEL EQUIPO En esta etapa se definen las características que debe cumplir el equipo, tanto en hard como en soft, con independencia de quien sea el proveedor del mismo. Es una etapa larga y compleja, motivado por: — La gran cantidad de aplicaciones que el mercado informático pone a nuestro alcance, para todas y cada una de las unidades de nuestro proceso productivo. — La gran diversidad de soluciones técnicas, tanto en hard como en soft. — La constante innovación tecnológica que ofrece cada día equipos mejores y más baratos. La etapa se inicia con un proceso de información sobre el estado actual de la tecnología. Es decir, qué tipo de aplicaciones hay en el mercado que pueden ser interesantes de incorporar a nuestro proceso. Las fuentes de información pueden ser: — Proveedores de equipos informáticos — Publicaciones especializadas — Cursos, conferencias y salones. Esta fase, llevada de una forma sistemática, proporciona una gran cantidad de ideas de oportunidad de aplicación del ordenador. Pero nos conduce también a una visión idealizada de una fábrica totalmente automatizada, sin papeles, sin errores, sin bajas, con productos de calidad garantizada y unos costes muy inferiores a los actuales, y todo al alcance de nuestras manos. Es imprescindible también recoger información de la aplicación real de estas tecnologías: qué costes, esfuerzos y plazos han sido necesarios para implantarlas, y qué productividad global se obtiene con ellas. La mejor fuente de información es la visita a instalaciones similares y la entrevistas con usuarios. Otra fuente válida de información son las Empresas de Consultoría, con experiencia en aplicaciones de CAD-CAM. En esta fase se comprobará que existe un cierto desnivel, como es lógico, entre la teoría y la práctica. Que, si bien el concepto de automatización e integración del CIM es aceptado por todo el mundo, el nivel actual medio de la industria está muy lejos de alcanzarlo. Sin embargo marca una tendencia muy clara en el sentido de que en los equipos y sistemas informáticos que se van incorporando, se exige compatibilidad, y posibilidad de integración en una red de comunicaciones local. Conocido el estado de la ciencia y su grado de aplicación, interesa estudiar todo nuestro proceso productivo, y comprobar qué áreas y aplicaciones puede automatizarse con éxito, en un plazo de 1 a 3 años. 109

La selección de un equipo de CAD debe considerarse dentro de un plan general de aplicación del ordenador a todas las áreas de producción.


Funciones a considerar para la preparación de un plan CADCAM en la empresa.

Es decir, preparar un plan general de implantación del CAD-CAM, subdividido en áreas o aplicaciones, con indicación de que tipo y cantidad de información comparten y una somera estimación de costes y beneficios. Analizando el plan del punto de vista de capacidad de asimilación simultánea de nuevas técnicas y sistemas, de cifras de inversión admisibles, de mayores beneficios potenciales y del flujo de la información, se establecerá un cronograma de implantación del CAD-CAM en las distintas áreas. Los objetivos de este plan de informatización de la producción, son: — Definir la aplicación o grupo de aplicaciones que se van a automatizar en primer lugar. — Tener en cuenta, al definir el equipo para estas aplicaciones, no sólo las necesidades particulares del área, sino también la futura expansión del equipo y las necesidades de comunicación con el resto de áreas. — Detectar si las peticiones de inversión en equipos con elementos informáticos del resto de áreas, están dentro de la filosofía establecida para evitar la proliferación de micros incompatibles entre sí y, por tanto, incapaces de integrarse en el futuro a una red local de comunicaciones. Desde el punto de vista de flujo de información, la primera área a mecanizar es la de diseño. En ella nace el producto, y por tanto, la base de datos geométricos y alfanuméricos que lo definen. Definida el área a mecanizar, se procede al estudio detallado de la misma. En el caso particular de que el área elegida sea la de ingeniería del producto, se precisará definir los funciones a desarrollar por el sistema de CAD como: 110


Construcción de modelos:

— En dos dimensiones (2D) — En 3D con alambres — 3D con superficies — Superficies avanzadas — Modelado sólido — Iluminación del modelo Análisis de modelo:

— Cálculos geométricos — Modelos cinemáticos — Cálculo por elementos finitos — Paquetes estadísticos — Otros tipos de cálculos específicos — Simulación. Qué tipos. Comprobación en laboratorio del modelo:

— Captación, análisis y reducción de señales — Visualización y representación de datos — Análisis modal — Fatiga — Monitorización y control de instalaciones de pruebas Aspectos básicos para la definición de una instalación de CAD.

Documentación del modelo:

— Dibujo de planos — Listas de materiales asociados — Tratamiento de textos — Integración de gráficos y textos 111


Utilidades:

— Lenguaje de programación — Base de datos — Librerías — Paramétrico — Codificación automática — Módulo de conversión a otros sistemas — Sistema operativo Con ello se establece la lista de funciones que debe cubrir el software del sistema. Queda por definir el tamaño de la instalación. Según los puestos de trabajo, —proyectistas, delineantes, calculistas, administrativos—, y la productividad a conseguir en el CAD, se puede estimar el número de terminales gráficos necesarios. Un valor medio en instalaciones actuales es de 1 terminal gráfico por cada 3 o 4 tableros de dibujo. Los terminales alfanuméricos, mucho más baratos, más que por carga de trabajo del terminal, se definirán por puestos de trabajo que lo necesiten y su distribución física. La cantidad de planos a almacenar servirá para dimensionar la necesidad de memorias on-line. La producción de planos, cantidad diaria y formato, definirá los plotters que precisamos. La calidad de la impresión necesaria, será la base de selección de las impresoras. La necesidad de conectar con otras áreas o aplicaciones ya existentes, marcará la necesidad de un sistema de comunicaciones y una compatibilidad con sistemas ya existentes. SELECCIÓN DEL EQUIPO Una vez definida la dimensión del equipo y los requisitos del software, se pasa a establecer contacto con los posibles suministradores, a los que se informará de nuestras necesidades, para que centren sus estudios de acuerdo con ellas. La información recibida por los proveedores, estudios, manuales, entrevistas y demostraciones, permitirá establecer una clasificación de las mismas, en función de que sus equipos se ajusten más o menos a nuestras necesidades, y que su estructura comercial y de soporte nos garantice un servicio eficaz de mantenimiento, formación y ayuda a la implantación del sistema. Seleccionados los 3 o 4 primeros proveedores de la lista, se efectuará un estudio detallado y comparativo de sus sistemas, tanto hard como soft. Se analizará, paquete a paquete, las funciones que ofrece, cómo las desarrolla y qué opciones o variantes presenta, las características de sus elementos de hard, los sistemas operativos y de comunicaciones, los costes de adquisición del equipo, de mantenimiento anual de hard y de soft, y de formación, así como su estructura comercial y de servicios, y su participación en el mercado del CAD. 112


Ejemplo de puntos de un cuestionario a enviar a los prove edores de equipos CAD. Valoración del hardware.

Para sistematizar la información es conveniente redactar un cuestionario que, en todos los campos citados, recoja aquellas características y funciones más importantes para nosotros. Es conveniente, además, realizar visitas a algunas instalaciones de características similares, que nos proporcionarán información adicional sobre los equipos ofertados. Es recomendable, también efectuar pruebas — Benchmark— en un equipo similar al ofertado. El conjunto de pruebas a realizar, —obtención de planos, cálculos, simulaciones, dibujos paramétricos—, debe ser represenEjemplo de puntos de un cuestionario a enviar a los proveedores de equipos CAD. Valoración del software.

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tativa de las funciones de soft solicitadas. En ellas podremos apreciar la mayor o menor sencillez de operación del sistema, los tiempos de respuesta, y hacernos una idea más aproximada de lo que en realidad estamos solicitando. El estudio y comparación de los cuestionarios, pruebas y ofertas recibidas en todos sus aspectos: económico, técnico, comercial y servicios, nos permitirá, mediante un sistema de ponderación más o menos elaborado, establecer un "ranking" y, en definitiva, seleccionar el equipo. Datos comerciales a tener presente en la valoración y estudio para la adquisición de un equipo CAD.

Es posible que en muchos casos una sola firma suministradora no disponga de todos los paquetes de programas necesarios para cubrir todas las funciones que solicitamos. Lo más frecuente será que dispongan de todos los paquetes necesarios para la construcción y documentación del modelo. En muchos casos disponen también de los programas más difundidos de cálculo y simulación, y no es usual que en los paquetes de CAD se incluyan módulos de ensayo en laboratorio. En estos casos la configuración elegida debe permitir la incorporación de soft de terceros o bien, la fácil comunicación con otros sistemas que se contemplen para cálculo o para automatización de ensayos y pruebas. Es decir, se valorará especialmente que los sistemas sean abiertos, basados en sistemas operativos de amplia utilización en el mercado, y con posibilidad de integrarse en redes de comunicación abiertas. El proceso de selección presenta riesgos, tanto más importantes cuanto menos conocimientos tenga el seleccionador de la tecnología CAD o de las características de la empresa. Para aminorarlos se procura formar un equipo de selección con personal de todas las áreas afectadas y con colaboración, si es preciso, de un 114


consultor externo con experiencia en CAD-CAM. Entre las influencias negativas, a intentar evitar, destacamos: — Sobrevalorar la imagen de marca de uno de los suministradores. "Como es el número uno del mercado, su producto es el mejor". Quizás lo sea, pero puede no ser el más adecuado para nosotros. — Separar la valoración del producto de las de las personas que nos lo presentan: Un buen vendedor, un operador excelente en las pruebas, un buen montaje de visitas y presentaciones, pueden hacernos olvidar que lo que seleccionamos es un producto, no una organización de marketing. — No dejarse impresionar por las funciones más avanzadas o espectaculares de cada sistema, y que, a lo mejor, no vamos a utilizar nunca. Interesa apreciar cómo responde a las funciones básicas de nuestra ingeniería. — No olvidar que no buscamos el mejor producto del mercado, sino el que mejor se adapta a nuestras necesidades. Ejemplo de comparación de oferta de un equipo CAD.

ADQUISICIÓN E INSTALACIÓN DEL EQUIPO La productividad de una instalación de CAD, depende, no sólo de que el equipo sea adecuado, sino también, y en mucha mayor medida, de que se utilice adecuadamente. " Para ello es preciso estudiar y resolver los aspectos técnicos de organización y de relaciones laborales asociados a una instalación de CAD. Tomando como referencia la fecha de entrega de los equipos, deben desarrollarse una serie de actividades para que éste sea operativo en el menor plazo posible. 115


Timing de una instalación de un equipo de diseño ordenador.

DEFINICIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE LA UBICACIÓN DEL EQUIPO En su oferta, el suministrador nos indicará las características que debe cumplir la instalación: temperatura, humedad, polvo, calorías disipadas, potencia eléctrica, tensión, peso, etc. En general las condiciones ambientales que requieren los microprocesadores actuales, son las normales de oficina. Únicamente en las instalaciones con ordenador central, o con minis con movimiento importante en discos y cintas, es preferible instalarlos en recintos cerrados con instalación de acondicionamiento propia, y según los casos con equipos de continuidad que evite los microcortes de tensión. Es interesante contemplar también los aspectos de seguridad y protección de los archivos magnéticos. Según los sistemas elegidos, es posible también que el nivel de ruido de plotters e impresoras aconseje aislarlos del resto de la oficina. En la ubicación de las estaciones de trabajo, existen dos tendencias. La centralizada, en que los terminales se concentran en un solo sitio, con operadores fijos; y la distribuida, en la que los terminales se sitúan en las oficinas de diseño y son utilizados por los usuarios que lo precisen. Según el tipo de trabajo en CAD de cada empresa es más adecuada una u otra forma. En general se tiende a una distribución de las estaciones para integrar más la utilización del CAD en el área habitual de trabajo, como una herramienta más, y no crear la imagen entre los proyectistas de que el CAD es un grupo de proyectos distinto, un círculo cerrado que no tiene nada que ver con su trabajo. La instalación de los terminales no requiere más cuidados que preparar las conexiones eléctricas y del sistema, procurando no rebasar los límites máximos de distancia o la unidad central, que aconseja el proveedor, y 116


cuidar que un exceso de iluminación no provoque reflejos en la pantalla. En la fecha de recepción del equipo debe estar toda la instalación definida y a punto para que pueda conectarse y efectuar su puesta en marcha y pruebas de recepción. Formación de operadores Al contratar el equipo debe preverse un plan de formación de los usuarios. Este plan está en función de la variedad de prestaciones del equipo, y debe ser eminentemente práctico. Es decir, no es posible una formación de pizarra. Es preciso disponer de un terminal al lado, para compaginar teoría y realidad. Siempre que sea posible, se procurará que, por lo menos, la formación correspondiente a geometría básica, se realize antes de la recepción del equipo. Curva de tiempos medios de aprendizaje en un sistema CAD.

Los períodos de formación son breves; para un equipo en 2D puede estimarse un mes, y unos tres meses para superficies avanzadas y modelos en 3D, teoría y práctica incluidas. El período necesario para que el operador pueda considerarse experto, es del orden de un año. Sólo entonces estará en condiciones de aprovechar al máximo las posibilidades del equipo. Para el trabajo en los terminales CAD, deben elegirse los operadores dentro del propio personal de ingeniería: proyectistas y delineantes. La experiencia indica que sólo un porcentaje muy pequeño no se adapta al diseño por ordenador, y que es mucho más fácil enseñar aun proyectista a dibujar con el terminal, que a uno, con formación informática, enseñarle a proyectar. En instalaciones a partir de unos pocos terminales, 4 o 5, es necesario 117


formar también a técnicos especializados en CAD, que conozcan a fondo las prestaciones del sistema, con conocimientos informáticos que le permitan desarrollar pequeños programas de utilidad, de extracción de datos asociados al dibujo, diferentes tipos de listas, y que se mantengan al día de la evolución de la tecnología del CAD, para incorporar a nuestra empresa las mejoras que, día a día, se producen. Normas y procedimientos La introducción del CAD supondrá un cambio total en la metodología de trabajo de una ingeniería. Será necesario revisar las normas y procedimientos, y organizar el trabajo en la estación gráfica. La forma de dibujar en el tablero, no debe trasladarse tal cual al terminal gráfico. Debe analizarse cómo pueden simplificar el trabajo las facilidades del sistema. Y por trabajo debe entenderse, no sólo el de delineante, sino todo el asociado al modelo; es decir: dibujo, cálculo, verificación y documentación, tanto en planos como en listas y manuales. Un estudio detallado de toda la problemática asociada al dibujo, conduce a unas formas y modos nuevos de representar y documentar los modelos. Distribución de capas en una instalación de CAD en diseño mecánico.

Librerías La creación de librerías puede iniciarse en las primeras etapas de formación de usuarios. Las prácticas pueden consistir en la creación de figuras de librería. Para ello se precisa un análisis de tipo de modelos y planos que se manejan; decidir qué elementos repetitivos, símbolos y notas van a formar parte déla librería, y cómo se va a organizar para que éstos sean fácilmente localizables. 118


Base de datos La organización y desarrollo de la base de datos, viene definida, por el suministrador. Pero queda por definir la utilización de la misma, básicamente el contenido de cada capa. Los criterios de separación de toda la información gráfica y alfanumérica asociada a un modelo en diferentes capas, y la cantidad de datos necesarios para las distintas aplicaciones previstas. La información de una capa se visualiza toda a la vez en el terminal, y el usuario puede decidir en qué casos quiere representar varias capas simultáneamente. La distribución de información en capas debe ser la misma para todos los usuarios. Así se asignará, para cada número de capa, qué información va a contener formatos, textos, acotado, rayados, secciones, vistas, modelo, mallado, etc. Por otro lado, los atributos asociados a las entidades gráficas servirán para la obtención de listas de materiales, conexiones, propiedades, tratamientos, etc. Es necesario estudiar qué tipo de información debe asociarse en forma estándar a cada elemento, para obtener, en todos los casos, \a información prevista. Organización de ficheros En general los planos terminados y ya lanzados a fabricación, se guardarán en archivos magnéticos off-line. La organización de estos ficheros nos debe permitir una localización sencilla de un determinado plano, en su última modificación, por su referencia, y prever también la localización de un dibujo del que no se conoce su código pero sí su nombre y función. Dibujo automático Dada la sencillez de utilización de los lenguajes paramétricos, es interesante estudiar qué parte de nuestra producción de dibujos es aconsejable parametrizar, de forma que podamos obtener automáticamente dibujos de cada pieza, con todas las cotas coherentes con las dimensiones de los dibujos. Planos anteriores a la instalación del CAD Los nuevos diseños incorporan en general, gran número de planos anteriores, sin ninguna modificación, o bien con muy pequeñas modificaciones. El disponer de todos los planos en el CAD, no hay duda de que simplificaría los nuevos diseños. Pero redibujar el archivo de planos existente, puede ser un trabajo inmenso y realmente nada productivo a corto plazo. La política aconsejable es no intentar copiar los planos ya dibujados de forma masiva e indiscriminada, sino asignar, para que sea diseñado por CAD un producto nuevo e introducirlo totalmente en el sistema, dibujando los planos nuevos y redibujando los anteriores que tengan aplicación en el nuevo producto. 119

La productividad de un equipo CAD depende no sólo de que el equipo sea el adecuado sino también, y en mucha mayor medida, de que se utilice adecuadamente.


Por otro lado, si los nuevos modelos se definen en 3D y los dibujos se obtienen a partir del modelo, es evidente que no se podrá utilizar los planos antiguos. Dibujo en dos dimensiones o tres dimensiones No pueden darse normas generales en cuanto a la utilización de modelos en 2D o en 3D. En general es más costoso todo el ciclo de construcción del modelo y documentación en 3D'que en 2D, pero las ventajas que se derivan del modelo de 3D como comprobaciones, cálculos, simulaciones, pueden compensar sobradamente el tiempo utilizado. La tendencia general es, cada vez más dibujar en 3D, en modelo de alambres, y aplicar superficies sólo cuando la utilización posterior del modelo lo requiera. Con las mejoras que últimamente se introducen en el modelado sólido, se detecta un progresivo cambio a una utilización cada vez mayor de esta técnica.

Dibujo en 2D versus 3D, depende de la utilización del modelo en 3D.

Organización y control Existen dos tipos básicos de organización: — La cerrada, en que se crea un departamento de diseño por ordenador con su responsable, sus proyectistas y toda la instalación de CAD; el resto de la organización proporciona el trabajo, croquis y bocetos, y éste lo termina completamente. Puede ser una organización válida para un trabajo concreto de oficina de dibujo, dibujo de detalle, digitalización de planos. No es válida para una ingeniería de producto. — La abierta, en que los terminales de CAD están a la disposición délos usuarios que dependen jerárquica y funcionalmente de los responsa120


bles de diseño. Si existe un departamento de CAD éste sólo tiene funciones de soporte, formación de usuarios, procedimientos de dibujo y operación del procesador central y sus periféricos. En este tipo de organización, que es la más usual, es el propio proyectista quien desde el primer momento se apoya en el ordenador para dibujar y analizar los primeros croquis del producto. En ambas casos el responsable del CAD debe establecer los sistemas de control de utilización del equipo que permitan una estimación de su productividad. Muchos sistemas llevan un registro de tareas que permiten conocer en cada modelo o parte del mismo, plazos y tiempos de ejecución. En función de esta información se puede establecer estadísticas de horas empleadas por plano, por proyecto, por departamento, y conocer la cantidad de información grabada o emitida en cada caso. Se establecen también estadísticas de utilización y de tiempos de paro de terminales y del resto de elementos del hard. Toda esta información nos proporciona una serie de índices que pueden compararse en el transcurso del tiempo para comprobar su evolución y tomar medidas que corrijan las anomalías que puedan detectarse, como por ejemplo: excesivo tiempo de paro por averías, terminales poco utilizados, horas de rediseño excesivas, plazos demasiado largos. Es ya más difícil establecer comparaciones entre índices de dibujo manual y dibujo por ordenador que sean representativos.

El equipo más adecuado, la instalación más cuidada, la organización y procedimientos más elaborados para un sistema CAD, de nada sirven si los hombres que lo manejan no están plenamente integrados en el sistema.

Los sistemas de comparación de producción por persona en uno u otro caso, como planos lanzados, láminas entregadas, etc., no proporcionan valores válidos más que en los casos de utilizar el sistema sólo para dibujo de detalle o digitalización, pero no es significativo en instalaciones de diseño con procesos de cálculo y simulación. Los índices más representativos son la comparación de los recursos invertidos en trabajos similares desarrollados manualmente o por CAD. Estadística de utilización de un equipo de diseño por ordenador.

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Factor humano El equipo más adecuado, la instalación más cuidada, la organización y procedimientos más elaborados de un sistema CAD, de nada sirven si el hombre que las maneja no está plenamente integrado en el proceso. Es tanto más importante conseguir que esta integración se produzca que no que se acierte, más o menos, en el equipo seleccionado. Sin embargo, por lo general se dedica bastante más tiempo y esfuerzo a todo el proceso de selección e instalación, que no a cuidar la motivación del equipo humano en las nuevas tecnologías. Porque, salvo excepciones, esta motivación no es inmediata, debido a la imagen que flota en el ambiente sobre el trabajo con ordenador. Los tópicos más frecuentes son: — El ordenador limita la creatividad. — Se reducen los puestos de trabajo y la seguridad en el empleo. — El proyectista se convierte en un autómata que sólo teclea datos. — El trabajo en terminal es peligroso para la salud. — El tamaño de la pantalla no permite hacerse cargo de las dimensiones

del dibujo.

— El ordenador devalúa los conocimientos y experiencias. — Se cambian los métodos de trabajo. — Los operadores deben especializarse más y pierden formación general. — Hace falta formación informática. — Sólo los jóvenes pueden adaptarse. La mayoría de estos puntos son totalmente falsos y otros son positivos para la empresa y para el individuo. La mejor forma de actuar en este tema es hacer intervenir, cuanto antes, la mayor cantidad de gente posible en el proceso de estudio, selección e instalación del equipo. Difundir la información recibida, hacer visitas a centros que utilicen el CAD, preparar presentaciones, y que se conozcan las posibilidades del sistema. Que en función de ellas, los mismos proyectistas sean los que analicen su trabajo y propongan, qué figuras de librería, y qué procedimientos de dibujo serían los más indicados. Hay que lograr, en fin, que el CAD sea, realmente, una herramienta a su disposición, para mejorar la calidad de su trabajo y evitar las tareas más repetitivas. Además de esta política de formación y participación en la incorporación de las nuevas tecnologías debe cuidarse, especialmente, que la nueva organización y metodología de trabajo no cree problemas adicionales. Los más frecuentes suelen ser: — El usuario conoce más el sistema, sus posibilidades y limitaciones, que su jefe inmediato; éste se aparta del CAD. — Se hace el trabajo creativo sobre papel y se utiliza el CAD para copiar y trabajos de despiece. — Se establecen tumos de trabajo para aprovechar más la inversión realizada. Y se obliga a turnos rotatorios y trabajo por la noche. — Se destina como usuarios del CAD a los proyectistas más jóvenes o de menos nivel y se excluye a ingenieros y proyectistas expertos. 122

Aplicaciones del CAD al diseño mecánico

INTRODUCCIÓN El diseño mecánico es una de las áreas de aplicación del CAD-CAM de mayor volumen y con más potencial de crecimiento. La cifra de ingresos en 1987 se estima en 2300 millones de dólares, a nivel mundial, y una tasa de aumento del 30% anual. El CAD para diseño mecánico es de los que requiere un soft más completo, por trabajar en modelos de 3D, de gran precisión, y por la complejidad de cálculos y simulaciones necesarias para optimizar los diseños. La gran industria mecánica fue una de las pioneras del CAD; varios de los paquetes de soft de más amplia difusión tuvieron su origen en los desarrollos efectuados por las empresas aeronáuticas europeas y americanas. Hoy día, las multinacionales de todos los campos de la mecánica, aeronáutica, automoción, maquinaria, etc., utilizan profusamente el CAD en todas las áreas de diseño. Disponen de cientos de estaciones de trabajo gráficas, dedicadas al diseño, dibujo, cálculo y simulación. Cada día más el intercambio de información gráfica con la industria auxiliar de fabricación de componentes, se efectúa a través de soportes magnéticos. Lo que obliga a ésta a disponer de equipos de CAD compatibles para interpretar la información recibida, y para elaborarla sin tener que volver a redefinirla. Y así, en cadena, la información gráfica llega a los suministradores de materiales en bruto, estampación, forja fundición, inyección, modelado de materiales plásticos, etc., y a los pequeños talleres de mecanizado. Para cubrir necesidades tan distintas, desde una gran multinacional a un pequeño taller, de un producto complejo con miles de componentes a una pieza simple, de un problema de interferencia en montaje a una simulación de combustión en un motor térmico, la industria del CAD ha evolucionado en base a ofrecer soluciones cada vez más elaboradas, sobre equipos cada vez más pequeños, de forma que, cualquiera que sea el tamaño de la empresa, su producto, su tecnología, encontrará en el mercado, un equipo hardware más software de CAD a su alcance, que le permitirá automatizar el diseño y mantener su competitividad. Podrá elegir entre el ordenador personal de gama alta, con pantalla gráfica de 19 pulgadas de alta resolución y una capacidad en disco de 1 Mb, a un coste próximo a un millón de pesetas y con un soft, según complejidad, alrededor del medio millón; la estación gráfica autónoma de unos cinco millones a quince millones, para un soft en 3D y cálculo muy completo; o equipos 123

El CAD es ya una realidad industrial. Desde las grandes industrias a los pequeños talleres.


multipuesto con un coste aproximado de diez millones por terminal. La aplicación del diseño por ordenador ha propiciado dos grandes tendencias en la operativa de las ingenierías mecánicas: — Desplazar el peso de las fases de experimentación y documentación, tradicionalmente las más costosas en dinero y tiempo, potenciando enormemente las fases de estudio, cálculo y simulación sobre modelos teóricos. En consecuencia se exige a los proyectistas una formación básica tecnológica más elevada en materiales, dinámica de sistemas, análisis estructural y modelado. — Unificar en grupos de trabajo conjunto las funciones de ingeniería del producto e ingeniería del proceso o de fabricación, optimizando el ciclo completo de diseño-fabricación. La aplicación del ordenador es muy amplia en todas las fases del diseño mecánico, pero hay dos en que el desarrollo es muy espectacular: La de estudios, análisis y cálculos de ingeniería, y la de integración con ingeniería de fabricación en la preparación de mecanizados en máquinas de control numérico y la programación de robot. Tanto es así que la obtención de La aplicación del CAD-CAM ha propiciado una mayor integración de diseño producció n.

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planos puede considerarse el subproducto de un sistema adquirido, con miras a la optimización del diseño del producto y/o a automatizar su producción. La tendencia, hoy día, en la implantación o ampliación de un equipo de diseño por ordenador es más la de integración del CAD-CAM en todas las fases, diseño-producción, de una línea de productos que la aplicación intensiva del CAD sólo en la ingeniería del producto, para, en una fase posterior, integrarla con producción. Es más, en muchas empresas de fabricación de matricería, moldes o piecería mecánica, la razón más válida para la introducción del CAD no es la obtención de planos de utillaje, moldes, etc., sino la creación de modelos geométricos para apoyo de sus procesos de mecanizado por control numérico. En muchas industrias mecánicas es, hoy día, totalmente impensable iniciar un nuevo producto sin una importante utilización de técnicas de CAD-CAM en su desarrollo. Hablar de aplicaciones del CAD, es hablar de todas y cada una de las actividades que se desarrollan en una ingeniería. A continuación se presentan algunas de ellas, que pueden considerarse características, con el único objeto de proporcionar una idea general de la utilización de estas nuevas tecnologías. FASE DE DEFINICIÓN DEL PRODUCTO: PREDISEÑO En esta primera fase de diseño se establecen las características y prestaciones del nuevo producto, se definen dimensiones y formas, se comprueba la coherencia de datos y factibilidad del mismo. La aplicación del ordenador en esta etapa permite: — Estudios de distribución de espacio, lay-out. Por ejemplo, en el Estudio de distribución de asientos en el interior de un autobús.

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diseño de un nuevo modelo de automóvil: ubicación del motor, embrague y cambio. Posición de ejes y ruedas delanteras y traseras, situación de línea motriz, habitáculo interior, dirección, asientos, maletero, depósito de combustible y rueda recambio, accesorios. La suma y combinación de volúmenes para cada elemento da lugar a unas dimensiones exteriores necesarias. O bien al revés, partiendo de unas medidas definidas se estudian las disponibilidades de espacio para cada uno de los elementos. En estas primeras distribuciones nos apoyamos, generalmente, en modelos en 3D alámbricos de los elementos. Muchos de ellos estarán definidos ya en nuestras librerías por ser comunes a otros modelos. Otros los dibujaremos especialmente para este caso. La asignación de peso a cada elemento permite determinar pesos totales, cargas sobre cada eje, posición del centro de gravedad del vehículo, etc. — Definición de formas exteriores: Estimadas las dimensiones principales del nuevo producto, precisará, en general, definir de qué manera deben evolucionar las superficies del producto para conseguir determinadas prestaciones. Por ejemplo, en el diseño de un nuevo modelo de avión, conseguir una forma que garantice su comportamiento aerodinámico en diferentes condiciones de vuelo. Para ello precisaremos disponer de modelado de superficies avanzadas para ajustarlas a la gran variedad de formas necesarias. Realización comercial de un modelo de frasco, diseñado en CAD.

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Estudios de estilo exterior e interior: La capacidad de visualización de formas, colores y texturas, hace del CAD la herramienta ideal para estudios de estilo que anteriormente sólo podían desarrollarse mediante la construcción de maquetas. En algunos productos industriales, como envases, artículos de moda, etc., la representación de modelos en 3D, desde distintos puntos de vista, con juegos de luz y de color, con posibilidades casi instantáneas de modificación de formas y colores, permite el estudio de gran número de variantes del producto para seleccionar el mejor. En el diseño interior de un medio de transporte el CAD nos permitirá efectuar estudios de distribución de asientos, formas y soportes, situación de ventanas, luces, cortinas, etc., y una vez finalizado el estudio, visualizarlo, a nivel de conjunto o detalle, desde diferentes ángulos, así como modificar la posición, forma y distribución de los diferentes elementos hasta conseguir el aspecto deseado. Estudio de ergonomía de un puesto de conducción.

— Estudios ergonómicos: Al disponer de un modelo de maniquí articulado que permite determinar espacio barrido por sus extremidades se puede estudiar posición de mandos y controles para que estén al alcance del operador. Así, por ejemplo, en el diseño del asiento del conductor de un automóvil, se pueden analizar: forma, posición del asiento, y del volante, para conseguir que las distintas partes del cuerpo se posicionen en los ángulos de máxima comodidad. Que las palancas de cambio, freno, luces, pedales de embrague, freno y acelerador, estén en posiciones de manejo cómodas y al alcance de manos y pies sin necesidad de modificar la posición del cuerpo. — Estudios de campos de visión, para eliminación o reducción de zonas 127


Análisis cinemático de un mecanismo.

muertas, distribución de aparatos indicadores, de aviso y de control en zonas visibles, ubicación de espejos retrovisores y barrido del campo de visión. — Estudio de mecanismos. Dentro del campo de estudios de espacios, el CAD presta una valiosa ayuda en la determinación de los espacios barridos por los elementos móviles en su recorrido, y permite detectar interferencias. Por ejemplo, en el diseño de un motor térmico, para determinar la zona necesaria para el movimiento del conjunto cigüeñal-biela-pistón; en el cálculo del ángulo de giro del vehículo en función de la geometría de la dirección; o en el movimiento de los flaps en un ala de avión; en la abertura y cierre de una puerta en un autobús urbano; o en la línea motriz de un camión. — Estudios de simulación aerodinámica: Al tener perfectamente definida la forma exterior, se pueden establecer modelos matemáticos de simulación del flujo de aire en aviones y automóviles, o de agua en buques, y determinar líneas de corriente, de potencial de velocidades y distribución de presiones en los distintos puntos de la superficie. En aeronáutica, definir características de resistencia y sustentación de un perfil de ala en amplias condiciones de vuelo, que permitirán su corrección y mejora, así como estudiar su variación a lo largo de la envergadura. En automoción, modificar las formas de carrocería, spoilers, y defectores, para disminuir el coeficiente de resistencia al avance Cx, y mejorar, por tanto, el consumo de combustible. — Análisis estructural: En esta fase de prediseño, en donde aún no se ha efectuado el despiece ni los planos de detalle de la estructura, el 128


análisis estructural proporciona, mediante modelos sencillos, en general de barras, de todo el conjunto una estimación del reparto de cargas que servirá para el dimensionado previo de los elementos resistentes. — Análisis dinámico: Los módulos de análisis dinámico del CAD permiten, en esta fase inicial, la visualización de las formas y frecuencias de vibración del sistema y de sus diferentes elementos, y definir las rigideces y amortiguaciones necesarias para obtener una mejora de las características del mismo. — Análisis térmico: Los modelos matemáticos de transferencia del calor, permiten establecer las temperaturas de funcionamiento en los diferentes puntos del modelo, así como dilataciones y tensiones de origen térmico. El conocimiento de las mismas es fundamental para el prediseño, por ejemplo, de culatas de motores térmicos, cámaras de combustión de reactores, etc. — Maquetas: La construcción de maquetas ha sido en el pasado la única herramienta de que disponían las ingenierías para visualizar estudios de formas, colores y materiales, así como para efectuar ensayos en modelo reducido de determinadas características del producto. Hoy día siguen utilizándose las maquetas, más que como elemento de estudio, como comprobación de la bondad de los resultados de los modelos teóricos utilizados. Al disponer de la geometría del modelo en el ordenador apoyándose en ella, las máquinas de control numérico del taller de prototipos pueden garantizar la reproducción exacta de las formas, a la escala que se requiera. Las máquinas de medir por coordenadas pueden verificar automáticamente la exactitud de todas las dimensiones. De esta manera los resultados de la experimentación se apoyan sobre una reproducción fiel del modelo. Estudio aerodinámico sobre un modelo de avión. Distribución de presiones.

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Aná lis is de un modelo de barras de la estructura autoportante de un autobús.

En un proceso interactivo de dibujo, estudio, comprobación y modificación, se obtiene la definición del nuevo producto. Se dispone de la geometría básica, es decir, dimensiones y formas fundamentales y características estimadas. Al final de esta etapa se está ya en condiciones de valorar con precisión costes y plazos de desarrollo, así como estimar inversiones, costes y plazos de puesta en fabricación del producto, y establecer, por tanto, los estudios económicos de rentabilidad del proyecto; si los resultados son favorables, se inicia la etapa de diseño y desarrollo del producto. FASE DE DISEÑO Y DESARROLLO En esta fase del proyecto, a partir de la geometría y características básicas definidas en el anteproyecto, se efectúa el estudio de detalle, sistema a sistema, pieza a pieza de todos sus componentes. Se ensayan en laboratorio los elementos que, por su especial importancia, condicionan las prestaciones o fiabilidad del producto o bien aquellos que en su proceso de estudio presentan dudas o incertidumbres. Se construyen prototipos para someterlos a pruebas de funcionamiento más o menos aceleradas. En función de los resultados de los estudios, ensayos y pruebas, se optimizará el diseño para obtener las prestaciones solicitadas, al mínimo coste posible. En toda esta fase, el ordenador es una herramienta de aplicación amplia y variada. — Diseño estructural: La función del diseño estructural es la definición 130


detallada, pieza a pieza, del mismo. En cada pieza se definirá forma, dimensiones, tolerancia, material y tratamiento térmico y superficial, de forma que quede garantizado su acoplamiento en el conjunto del producto y cumpla las funciones encomendadas con el grado de fiabilidad exigido. La utilización del CAD en trabajos de despiece, es una de las más antiguas y conocidas. En general se inicia con la creación de un modelo esquematizado de un conjunto que cumpla con las condiciones de contorno exigidas por la geometría básica. En función de las solicitaciones a que está sometido y de las prestaciones que se le exijan, se establecen formas interiores, espesores y refuerzos, y su descomposición en partes, en general de acuerdo con el proceso de fabricación. Con la generalización en la utilización de plásticos y composites, que admiten formas complejas, se ha disminuido el número de piezas y simplificado enormemente los procesos de montaje. Para este tipo de piezas de geometría muy compleja el CAD dispone de medios de construcción y visualización que lo hacen especialmente indicado para la obtención de un buen diseño. Diseño de una viga. Definición por alambres.

— Cálculos geométricos: La utilización del CAD para obtener los modelos de conjuntos de piezas a partir de la integración de los modelos de los componentes permite detectar interferencias de montaje, así como obtener las tolerancias máxima y mínima en función de las tolerancias de las piezas simples. El análisis de ambos resultados permite redefinir cotas y tolerancias para conseguir unos resultados aceptables. Por otra parte el modelo explosionado de grupo permite obtener vistas y dibujos de las piezas que componen el conjunto, colocadas, si se desea, según secuencia de montaje, facilitando la obtención de una documentación más clara. 131


Diseño de una viga. Definición por superficies.

— Cálculos estructurales: El análisis estructural, pieza a pieza, tiene por

objetivo alcanzar las prestaciones previstas con el mínimo coste, lo que en general significa el mínimo peso. El diseño se efectuará, en su mayor parte, a vida finita, lo que exigirá disponer de una base de datos de materiales, con sus curvas de comportamiento dinámico. Por otro lado precisará conocerse con exactitud las condiciones de contorno y de carga mecánica y térmica a que estará sometido. Para esta etapa es de gran interés disponer de bases de datos de las condiciones de trabajo de piezas similares de diseños anteriores. Esto significa haber desarrollado un programa meticuloso de captura, análisis y reducción de datos de nuestros productos en condiciones varias de funcionamiento. Determinados todos los componentes y las condiciones de ensambla je, se revisará el cálculo estructural y dinámico de toda la estructura para comprobar tensiones y deformaciones peligrosas, así como los modos normales de vibración. — Diseño de instalaciones eléctricas, neumáticas e hidráulicas: En todas las máquinas se encuentran, hoy día, circuitos eléctricos, y/o neumáticos, y/o hidráulicos, de mando y control. La realización de los esquemas correspondientes es una de las aplicaciones típicas de CAD de más alta productividad directa a poco bien preparada que esté la librería de símbolos. La posibilidad de definir cuadrículas en las pantallas, de fijar cambios de dirección de conjuntos de líneas, de deformar topológicamente los circuitos establecidos sin perder conexiones, para intercalar otros elementos o redistribuir los actuales, son funciones que ayudan al proyectista a definir con rapidez y, sobre todo, a modificar con seguridad, todo tipo de esquema. La asignación de atributos o propiedades no gráficas a los elementos del circuito, permite extraer del modelo, y, si interesa reflejar en el mismo 132


plano, relaciones de elementos utilizados, listas de conexiones, características de cables y conductos etc. Existen módulos de CAD de simulación de funcionamiento de circuitos eléctricos y neumáticos, que permite detectar errores lógicos o de conexionado, y facilitan la corrección de los mismos. Por otro lado, al disponer del modelo tridimensional de la estructura se pueden establecer modelos del tendido de cables eléctricos, tuberías de circuitos hidráulicos y neumáticos, tuberías de combustible o de engrase centralizado, salvando los diferentes obstáculos que se encuentren a su recorrido y estableciendo los sistemas de fijación adecuados. Antes de la utilización del CAD, estos tendidos tenían que efectuarse sobre maquetas con los problemas inherentes a su coste y plazo de fabricación, y con la seguridad de quedarse rápidamente obsoletas al no poder seguir con agilidad los cambios en el diseño.

Esquema de una instalación neumática.

FABRICACIÓN DE PROTOTIPOS La fabricación de piezas de prototipos presenta dos características contrapuestas: 1) Las piezas deben ser totalmente representativas de las que se van a utilizar posteriormente en la fabricación en serie del producto. En caso contrario, es preferible no efectuar las pruebas, dado que los resultados de las mismas, al no ser significativos, pueden inducir a error. 2) No es posible emplear ni los medios, ni los utillajes, ni los sistemas de fabricación de serie, dado que en la mayor parte de los casos no existen, y sería demasiado caro y lento prepararlos, existiendo además el riesgo de que deban modificarse o rehacerse en función de los resultados de las pruebas. Para resolver en parte este problema los talleres de prototipos disponen 133


en general de máquinas universales de control numérico, que apoyándose en los modelos geométricos del CAD, pueden proporcionar las piezas de prototipos con la misma precisión geométrica con que se obtendrán posteriormente en las cadenas de producción. REALIZACIÓN DE ENSAYOS Y PRUEBAS Los equipos, hard y soft, informáticos utilizados en la planificación, desarrollo y análisis de resultados de pruebas, no se incluyen normalmente en la composición de los sistemas CAD. Sin embargo, es una de las actividades de diseño en que la incorporación del ordenador ha significado un cambio importante, tanto en su concepción como en su desarrollo. La captación, análisis y reducción de señales, las posibilidades de estudios de correlación entre distintas variables, la presentación gráfica de resultados, permite un conocimiento mucho más ajustado del comportamiento del producto en diferentes condiciones de funcionamiento. La simulación dinámica en el laboratorio permite programar ensayos acelerados y conocer con precisión la correlación entre los resultados de las pruebas y la realidad. La aplicación del ordenador en la preparación, desarrollo y evaluación de resultados de pruebas es tan variada como variados son los tipos de Esquema de funcionamiento de un espectómetro con los resultados proporcionados por un microordenador incorporado en la máquina.

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pruebas y simulaciones que se realizan en el campo de la ingeniería mecánica. Los encontramos, por ejemplo, en los laboratorios de materiales asociados a los cuantómetros, como elemento de monitorización, y control del espectómetro, captación, análisis y presentación de los resultados del análisis. En unos segundos conocemos la composición química del material analizado y también conectados a los aparatos de pruebas dinámicas para las mismas funciones de control y registro de los resultados de pruebas, y obtención automática de las curvas de comportamiento o fatiga del material ensayado. En los bancos de ensayo de motores térmicos, en funciones siempre de monitorización, control, registro y presentación de resultados, curvas características, curvas de isoconsumo, rendimiento, etc. En los bancos de ensayo de fatiga, modificando la señal de entrada a los cilindros electrohidráulicos hasta que los captadores, colocados en los puntos de estudio, reproduzcan la señal, carga, aceleración, deformación, etc., que deseamos obtener en función del análisis efectuado de las señales captadas en servicio. En los equipos de análisis de ruidos, para localizar puntos de emisión, análisis de frecuencias, intensidades. En equipos de análisis modal, para comprobar modos de vibración, compararlos con los resultados de análisis teóricos, y encontrar correlación entre los modelos matemáticos y el laboratorio. También durante la fase de diseño y desarrollo del producto se han ido obteniendo los planos de las piezas y conjuntos y listas de materiales que los componen. Esta es otra de las aplicaciones típicas del CAD: la utilización de facilidades que incorporan los sistemas CAD, aún los más sencillos, para obtener los dibujos y la información con ellos asociada, de una forma sencilla y con un notable aumento de productividad con respecto al clásico tablero. Se aprovechan también, las facilidades de integración de textos y gráficas para la emisión de manuales técnicos. EL DISEÑO MECÁNICO EN LA PEQUEÑA Y MEDIANA EMPRESA Las aplicaciones descritas del CAD en diseño mecánico, corresponden a la sistemática utilizada para un producto complejo, en una industria de primeros equipos. La pequeña o mediana industria mecánica con producto propio, utiliza, en general, métodos más empíricos para el diseño de sus nuevos productos, a partir de su experiencia propia y de las exigencias de sus clientes. Las tecnologías de análisis y simulación de modelos teóricos requieren disponer de una elevada capacidad de proceso y de cálculo para ejecutar los paquetes de programas que, por otra parte, son en general caros de adquisición y mantenimiento. Además la preparación, ejecución y análisis 135


de los cálculos efectuados requiere de personal muy preparado técnicamente para que los resultados sean fiables. La inversión necesaria para dotar de medios modernos de captación, reducción y reproducción en laboratorio de las condiciones de trabajo reales de los productos son muy elevadas. La tecnología de ensayos acelerados y predicción de vida, requieren de una infraestructura de conocimiento de comportamiento dinámico de materiales, de correlaciones entre resultados en probetas de laboratorio y sobre piezas de distintas formas, tratamiento y acabados, y de solicitaciones a que está sometido nuestro producto en toda su vida útil. Sólo verdaderos especialistas en la materia obtendrán buenas correlaciones entre los resultados de las pruebas y la realidad. La pequeña y mediana empresa no dispone en general de capacidad suficiente para abordar por sí sola y con una rentabilidad aceptable la incorporación de los equipos de estudio, simulación y ensayo, que por otro lado utilizará durante pocas horas al año. Pero sí es interesante que conozca estas tecnologías y sepa qué centros de cálculo o laboratorios, tanto nacionales como extranjeros, puede contratar para la optimización del diseño de sus productos. En estas empresas las aplicaciones básicas del CAD son: — Construcción de modelos para estudios geométricos, de ergonomía y estilo aprovechando las facilidades del modelado en tres dimensiones y las posibilidades de visualización en el terminal con formas y colores idénticos al producto terminado. — Dibujo de planos de conjunto y despiece, así como toda la documentación alfabética y gráfica necesaria para la fabricación y comercialización del producto. — Simulación del proceso de fabricación del producto y obtención de la documentación necesaria para el acoplo de los elementos auxiliares para la misma: moldes, matrices, utillajes y herramientas. Por otro lado, los suministradores de equipos CAD-CAM ofrecen, cada día más, paquetes especializados para unas aplicaciones determinadas. En ellas integran las funciones de modelado geométrico, las de análisis y simulación del proceso de fabricación, y las de emisión de la documentación necesaria. Así encontramos por ejemplo, aplicaciones para fundiciones, con programas específicos para diseño de moldes, simulación del flujo del material fundido y estudio de enfriamiento; para talleres de plancha con determinación de desarrollos de chapas, estudios de flujo del material en embuticiones, minimización de retales; para industrias de decolletaje con simulación de mecanizado de las máquinas de control numérico y obtención de los programas correspondientes; para las empresas de moldeado de materiales compuestos con simulación de disposición de fibras y de determinación de las características del producto. Estas aplicaciones, más relacionadas con la fabricación que con el diseño del producto, se analizarán con detalle en el libro "Fabricación Asistida por Ordenador", de esta misma Colección.

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Aplicación del CAD al diseño electrónico

INTRODUCCIÓN El diseño electrónico es, después del diseño mecánico, la segunda aplicación del CAD en cuanto a volumen de negocio en el mercado mundial. Por sus características, es el tipo de diseño más fácil de automatizar, ya que utiliza una gran cantidad de símbolos y elementos repetitivos. Los dibujos son geométricamente muy sencillos, no precisa de superficies complejas ni modelos en 3D, puesto que se trata básicamente de gráficos de las líneas de conexión entre los distintos elementos. El problema es que, por poco complejo que sea el circuito, la cantidad de elementos y conexiones es tan grande, que es difícil de representar manualmente; prestándose a muchos errores, siendo muy laboriosa la introducción de modificaciones. La documentación completa exige una gran cantidad de información alfanumérica: listados de elementos, listados de conexiones, referencias cruzadas entre puntos de elementos, situación de símbolos en

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Parte de los símbolos de una librería eléctrica.


el plano, etc. Las técnicas modernas de circuito impreso de alta densidad y, más aún, los circuitos integrados, son prácticamente imposibles de obtener por medios manuales, precisándose el ordenador para todas las funciones de su diseño, simulación y fabricación. Los sistemas CAD facilitan la labor del diseño con sus librerías de símbolos y elementos, que permiten incorporarlos fácilmente en cualquier parte del dibujo, con la posibilidad de asociar información alfanumérica a todos los elementos gráficos, facilidad para modificar interactivamente todas las entidades, programas para la extracción de datos y su impresión en el mismo dibujo o en listas aparte. Precisamente, las primeras aplicaciones industriales del CAD en los años 60, se dieron en el diseño electrónico, utilizándose en el dibujo de esquemas teóricos de circuitos, y en los diagramas de cableado. Con la aparición del circuito impreso, que permite una fabricación más automática, rápida y fiable, que la obtenida mediante cables, el CAD se utiliza también para la distribución de componentes y dibujo de pistas y taladros del circuito impreso. Simultáneamente se establecen también programas de simulación de circuitos que permiten la comprobación de los mismos, previo al montaje de maquetas. El gran desarrollo industrial de la electrónica exige, cada vez circuitos más densos, de tamaño más reducido y de conexiones más cortas, con objeto de aumentar la velocidad de proceso de señales. El CAD es ya una herramienta imprescindible para el diseño de circuitos impresos de varias capas y gran densidad. Pero el desarrollo tecnológico continúa a un ritmo vertiginoso y aparecen los circuitos integrados cada vez más complejos y más pequeños. La ayuda del ordenador es esencial. Va desde la especificación funcional del sistema en un lenguaje de alto nivel, hasta el control de la fabricación de máscaras, pasando por los programas de simulación y comprobación necesarios. El paquete de software de un sistema de CAD para diseño electrónico consta de: — Un editor de gráficos que maneja módulos, con unas conexiones definidas entre sí, de forma que un diseño de bloques puede representarse también en su mínimo detalle en base a sustituir cada bloque por su circuito equivalente. No se utiliza la representación tridimensional, pero sí la distribución del dibujo en varias capas que pueden superponerse a voluntad del proyectistas. — Una base de datos jerarquizada de módulos en la que cada uno de éstos puede estar formada por componentes u otros módulos. — Programas de generación de Net-list, lista de conexionados a partir de los esquemas de los circuitos como base de entrada a los programas de simulación y de trazado de placas del circuito impreso o del circuito integrado. 138

Aplicaciones del CAD al diseño electrónico

— Simuladores eléctricos del comportamiento del circuito, tanto analógicos como digitales. En los más potentes se mantiene la posibilidad de diseño jerarquizado, permitiendo la simulación parcial del circuito, con bloques totalmente definidos a su nivel más bajo y otros sólo a nivel de comportamiento. — Programas automáticos de colocación de componentes físicos y de conexionado automático, según algoritmos de optimización definidos. Permiten también la modificación interactiva del resultado para introducir el cambio que desee el proyectista. — Programas de comprobación de la red de conexiones con la correspondiente al esquema teórico y, de violación de normas de diseño. — Programas de extracción de datos, esquemas, planos, listas y cintas para las máquinas de control numérico, y para la comprobación física. Como aplicaciones concretas del CAD analizaremos los procesos de obtención de: — Diagramas de cableado 139

Ejemplo de diseño jerarquizado.


— Diseño de placas de circuito impreso — Diseño de circuitos integrados El diagrama de cableado es la representación gráfica de un sistema eléctrico que contiene todos los elementos del mismo, con sus terminales y los cables eléctricos que los unen. La evolución de la tecnología electrónica, ha reducido notablemente la complejidad de los sistemas de cableado de los primeros aparatos a válvulas. Hoy día, el cableado se reduce en muchos casos en las conexiones entre los terminales de los distintos circuitos impresos que se montan para cubrir diferentes funciones eléctricas en una misma máquina. En el plano de un diagrama de cableado, los componentes eléctricos se destacan en el entorno del resto de componentes metálicos del aparato. Entre ellos se representan los cables físicos que los conectan, permitiendo establecer claramente las conexiones punto a punto. Un diagrama completo puede precisar de varias hojas de diagrama, y en cada uno se indican ios puntos de conexión entre hojas, de forma que permiten un seguimiento de las conexiones. El proceso de un diagrama de cableado es: — Definición del esquema eléctrico del circuito — Simulación lógica — Asignación de las funciones lógicas del esquema o componentes físicos. — Diagrama de cableado — Comparación de redes — Simulación dinámica — Documentación Todas las fases se apoyan en una única base de datos con información gráfica y no gráfica, organizada jerárquicamente para permitir un diseño en bloques. En la base de datos coexisten: — Formato y casillero del plano del esquema o del diagrama — Mapa de coordenadas para localización de los elementos en el plano — Símbolos de elementos físicos — Símbolos de funciones lógicas — Símbolos de entrada-salida de páginas — Líneas de interconexión — Símbolos de mazos de cables — Textos para identificación de las partes del esquema o del diagrama — Información alfabética asociada a cables y elementos. Esta información puede ser específica para cada entidad o global y se puede utilizar para obtener información seleccionada por diferentes tipos de propiedades. Por ejemplo cables de un mismo color. Además de las figuras geométricas correspondientes al soft básico dispone de entidades conectivas —nodos— que señalan e identifican los puntos en que varias figuras se interconexionan. Son puntos, líneas y 140


figuras que estarán asociadas a otras entidades en sus puntos de conexión. Dado la gran repetitividad de las funciones y elementos que aparecen en los esquemas y diagramas eléctricos, es fundamental disponer de una librería completa de símbolos, de elementos físicos, tipos de conexiones asociadas con sus características eléctricas, dimensiones y propiedades, así como los textos que pueden normalizarse y aparezcan frecuentemente en los esquemas. Dentro de una empresa, es frecuente que se utilicen a menudo los mismos bloques de función o los mismos aparatos en varios productos. En este caso, es muy interesante introducir estos bloques como elementos de la biblioteca. Así, dibujados una sola vez, pueden copiarse automáticamente en todos los planos que se utilicen. DIBUJO DEL ESQUEMA ELÉCTRICO Para representar el esquema teórico del circuito el proyectista selecciona de la biblioteca los símbolos a utilizar y los posiciona en el plano. Previamente habrá elegido el formato con coordenadas verticales y horizontales, para facilitar la localización de los elementos. Interconexiona los símbolos con líneas nodales, representando los cables de unión. Identifica líneas y símbolos con los textos correspondientes —números y propiedades—. Para simplificar el trabajo se dispone de varias posibilidades de edición de textos y figuras: color, tipo de línea continua, a trazos, a puntos, brillo, parpadeo. Permiten, por ejemplo, distinguir la conexión en que se está trabajando del resto, o marcar todas las líneas correspondientes a una señal. Disponen también de las posibilidades de dinámica de pantalla —ampliación— reducción, giro y traslación del dibujo, y de ayudas a la construcción del esquema, entre los que destacamos: — Distribución del dibujo por capas. — Trabajo sobre una red en pantalla que permite el posicionado preciso de todos los puntos. — Posibilidad de desplazar un elemento con todas las líneas a él conectadas. — Trabajo con varias vistas a la vez en diferentes ventanas — Asignación de propiedades por defecto. Evita tener que indicar muchas veces la misma propiedad. Por ejemplo "alambre de cobre". El proyectista puede trabajar en forma jerárquica. Es decir, puede empezar el diseño conexionando una serie de bloques entre sí, e ir sucesivamente descomponiendo cada bloque en subbloques hasta llegara nivel de símbolo elemental. Es decir, un diseño estructurado "top-dawn", de arriba a abajo. Puede trabajar también al revés, de abajo a arriba, empezando por unos circuitos simples y agrupándolos en bloques hasta llegar al último nivel. SIMULACIÓN LÓGICA Los paquetes de soft de diseño eléctrico, disponen de programas de 141


Esquema de un circuito eléctrico.

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simulación que permiten comprobar el correcto funcionamiento de los circuitos dibujados en el esquema. Mediante la introducción de una señal a los terminales de entrada, se comprueba la respuesta del circuito en los terminales de salida o en los puntos intermedios que se desee. Previamente el sistema habrá efectuado un test lógico y detectado los errores del esquema: entradas o salidas sin conectar, líneas sueltas, etc. Simulación de un circuito. Lista de valores en distintos puntos.

Los simuladores más completos mantienen la posibilidad de diseño jerárquico jerár quico permitiendo permit iendo la simulación simula ción de circuitos circu itos con bloques bloqu es definidos defin idos a distinto nivel de detalle. Es decir, unos definidos totalmente en sus circuitos elementales, mientras que de otras se ha especificado sólo su comportamiento. Efectúan la simulación parcial de los circuitos totalmente diseñados pero teniendo en cuenta el comportamiento global del sistema. ASIGNACIÓN DE FUNCIONES LÓGICAS EN COMPONENTES FÍSICOS En ocasiones, no existe una correspondencia biunívoca entre las funciones eléctricas y los componentes físicos a utilizar. Es muy frecuente, que en un mismo elemento físico se engloben varias funciones que en el esquema están situadas en lugares y hojas distintas. En estos casos se debe hacer corresponder las entradas y salidas de los símbolos del esquema con los terminales correspondientes del elemento físico. Al terminar term inar este proces pro ceso, o, se obtiene obti ene un nuevo nuev o esquema esqu ema en el que a cada símbolo se asocia el número del componente físico que lo incluye y el número de los terminales del mismo que le corresponde. A part p artir ir de este est e esqu e squema ema se puede pu ede obten obt ener: er: — Lista de componentes a utilizar en el circuito para gestión de materiales. — Lista de referencias cruzadas entre elementos físicos y símbolos con su situación en el esquema. 143 143


— Lista de conexionado, es decir, número de conexión con su procedencia y destino. En muchas ocasiones, la experiencia acumulada de diseños anteriores, permite realizar esta fase de asignación de elementos físicos en el momento de la creación del esquema del circuito. Al incluir un símbolo eléctrico se indica, en qué elemento físico y a que terminales del mismo se corresponde. La información de que se dispone en esta fase, es suficiente para montar la instalación eléctrica. El operario, colocados los elementos donde proceda, podrá efectuar el conexionado de todo el circuito, siguiendo bien el esquema, bien la lista de conexionado. No conoce el recorrido de los cables, ni su longitud; serán decisiones que tomará sobre la marcha. En otras ocasiones, en montaje en serie, interesará estudiar recorrido de cables, situación de elementos, y simulación de funcionamiento. Asignación de los esquemas lógicos a terminales de un componente electrónico.

DIAGRAMA DE CABLEADO En los planos de los diagramas de cableado se sitúan los elementos físicos que utiliza el circuito y se dibujan los cables que conectan los terminales, desapareciendo toda referencia a la lógica de las funciones desarrolladas. El punto de partida, son las listas de componentes y las listas de conexionado. La posición de los elementos viene, en general, marcada por condiciones ajenas al circuito eléctrico. Por ergonomía, interruptores, temporiza144


dores, pilotos, por distribución de espacio entre los elementos, bobinas, condensadores; por incorporación a partes de maquinaria, motores, transformadores, fuentes de alimentación. La colocación de los elementos será de tipo interactivo a partir de las figuras de librería, sin posibilidad en general de procedimientos automáticos. Para obtener longitudes correctas de cables y poder estudiar su recorrido, se precisa disponer de un modelo en 3D, de la situación de los terminales, y de las condiciones de contorno para la instalación. La conexión se hace también interactivamente, señalando el tipo de cable a utilizar. El sistema permite el dibujo de cables agrupados en mazos, y las figuras de cables coaxiales, blindados, etc. El sistema facilita también el dibujo de los elementos de fijación o de protección a lo largo del recorrido. Comparación de redes Dado que las figuras de librería de los elementos físicos contienen las funciones lógicas con sus terminales de entrada y salida, el ordenador 145

Esquema de un cableado eléctrico.


puede establecer el circuito lógico completo y compararlo con el que s e ha definido en el esquema teórico y que guarda en memoria. La comparación de ambas redes permitirá detectar errores de conexión. Simulación dinámica Al disponer el ordenador de todos los datos físicos de la instalación, puede efectuar simulación de funcionamiento real para control de tensiones, intensidades en los distintos puntos y comprobación del correcto funcionamiento de los elementos del circuito.

El diseño de circuitos impresos es una de las aplicaciones más integradas en CAD.

Documentación A la documentación básica ya obtenida con el esquema teórico se añade, entre otras: — Planos de instalación del circuito — Planos de mazos de cables — Listas de cables con su longitud y características. DISEÑO DE CIRCUITOS IMPRESOS La utilización del ordenador, es hoy día, la única solución para el diseño de circuitos impresos de alta densidad. El mercado de CAD electrónico, ofrece una gama muy amplia de programas para automatizar todas las fases del diseño de un circuito impreso. 146


Las fases del proceso son prácticamente las mismas que en el cableado eléctrico, pero así como en éste es normalmente el usuario el que desarrolla el proceso completo, en el desarrollo del circuito impreso en general el usuario define el esquema eléctrico, efectúa la simulación de funcionamiento del mismo, y facilita la lista de componentes y de conexiones a un proveedor que diseña la geometría del circuito y lo fabrica. Esquemas del circuito Para la confección del esquema, existen programas de CAD electrónico sobre ordenadores personales, que disponen de un editor gráfico que permite representar en pantalla elementos y líneas de conexión, a partir de figuras de librería o por trazado directo interactivo, un gestor de base de datos jerarquizada que permite el diseño en bloques, un generador de listas de componentes y de conexiones, y postprocesador para adaptarse a los sistemas de simulación existentes en el mercado. Circuito impreso diseñado en una estación CAD.

Cada componente en la librería está caracterizado por su diagrama lógico que facilita las funciones lógicas desarrolladas, así como sus correspondientes terminales de entrada-salida, los retrasos de propagación y transición de señales y sus medidas físicas. Una vez terminado el dibujo del esquema, para lo cual el proyectista cuenta con todas las ayudas y facilidades de dibujo de los sistemas de CAD ya expuestos, tiene lugar el proceso de compilación, mediante el cual se procesa la información gráfica, y se detectan los errores de conexionado que se hayan cometido, por ejemplo: entradas o salidas de elementos 147


lógicos sin conectar, conexiones sueltas, puertas de salida conectadas entre sí, etc. A partir de la base de datos generada en el ordenador se obtiene la información necesaria para entregar al fabricante del circuito impreso, la lista de componentes y la lista de conexiones entre los terminales de los mismos, los puntos de entrada y salida del circuito y los planos de los esquemas para verificar cualquier duda que presenta la lista de conexiones. Simulación del circuito Salvo circuitos muy simples, la simulación eléctrica requiere la utilización de una elevada capacidad de proceso y de cálculo que no está al alcance de los ordenadores personales. Hay que recurrir a micros de la gama alta, estaciones de trabajo de CAD electrónicos especialmente diseñadas para estas funciones, o a grandes ordenadores. La simulación de circuitos analógicos requiere aún mayor potencia de cálculo que la de un circuito digital de complejidad parecida, dado que en esta señal se puede caracterizar por un número pequeño de estados, mientras que en aquélla se trabaja con valores instantáneos. De todas formas la mayor parte de circuitos electrónicos son, hoy día, digitales. Se dispone también de simuladores más elaborados que permiten mezclar señales digitales y analógicas, y por tanto simular comportamientos de convertidores A/D y D/A. La simulación lógica de los circuitos digitales se basa en la aplicación a los terminales de entrada del circuito de una tabla de ceros y unos lógicos. Con estos datos se simulan uno a uno todos los pasos del circuito y se obtiene como resultado una tabla de unos y ceros en los terminales de salida, o en los puntos intermedios que se desee analizar. El resultado puede visualizarse dando las formas de onda o bien por lista de estados de cada punto en el tiempo. Los simuladores pueden incorporar o no el cálculo del retraso de la Simulación de un circuito. Representación de la señal en varios puntos.

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señal al recorrer el circuito. Los simuladores funcionales no tienen en cuenta más retrasos que los correspondientes a los de propagación en los elementos de la librería y permiten comprobar el comportamiento funcional del circuito. Los simuladores integrados analizan la velocidad de operación del circuito, teniendo en cuenta los retrasos en las pistas de conexión y los tiempos de propagación, transición y espera en los elementos lógicos. En el análisis conocido como el peor caso (wort case analysis), se tiene en cuenta no sólo los valores medios, sino también los mínimos y máximos para determinar el camino crítico de la señal. La utilización de simuladores permite, por tanto, comprobar la bondad del diseño electrónico, antes de proceder a su fabricación. Diseño del circuito En la base de datos generada en la definición del esquema teórico, se dispone de toda la información necesaria respecto al circuito. Queda por completarlo con los correspondientes a las características de la tarjeta, —dimensiones—formas—sujeciones—, y la tecnología utilizada en su fabricación como número de capas del circuito (a más capas, más sencillo de diseño y más caro de fabricación), y densidad de las pistas; es decir, número de pistas por décima de pulgada. El diseño del circuito consiste en la colocación de los componentes y el trazado de las pistas que unen sus terminales. En los sistemas de CAD más sencillos es el propio proyectista que interactivamente coloca los elementos en la zona que le parece más adecuada y va dibujando las conexiones. Como ayudas adicionales los sistemas proporcionan, en general, una vez colocados todos los componentes, la visualización de las conexiones lógicas, lo que permite al proyectista intentar buscar otras formas de colocación que generen una red más ordenada. Para ello, se puede desplazar un elemento sobre la tarjeta, desplazando a la vez sus conexiones. Este procedimiento interactivo es válido para circuitos sencillos. En circuitos de alta densidad se precisan módulos automáticos de colocación y conexionado. — Colocación automática: En este módulo el ordenador procede a asignar cada elemento sobre la tarjeta, en función de sus dimensiones físicas y de algorimos de optimización del circuito; en general, buscando el árbol de longitud mínima, es decir, suma de longitudes de pistas mínimas, o bien suma ponderada mínima si existen unas conexiones más críticas que otras. Para la colocación de los elementos, se siguen varios métodos en general basados en colocar más próximos aquellos elementos con más conexiones entre sí y, una vez completada la distribución, se aplican métodos iterativos que estiman la bondad de otras distribuciones como los de intercambio de parejas, asignación cuadrática y relajación. El proyectista puede también visualizar las conexiones lógicas antes de 149


proceder al trazado de pistas para asignar interactivamente nuevas posiciones. Al dar por buena una distribución, los terminales se asignan a unas coordenadas dentro de la tarjeta, y las conexiones entre terminales se convierten a líneas que unen puntos del circuito definidos por sus coordenadas. — Conexionado automático: Con estos programas, el ordenador debe ser capaz de conectar toda la red sin que se produzcan cruces ni conexiones con terminales no deseados, sin interferencias, con taladros y zonas neutras, y procurando minimizar la longitud total de las pistas y el número de conexiones de cambio de capa. Existen en el mercado varios módulos de conexionado automático —autorouter— de muy distinta complejidad y resultados. Desde los que trazan sólo un 50% de las pistas, hasta los que llegan a trazarlas todas en la mayor parte de los casos. En muchas ocasiones será preciso la intervención del proyectista para completar las líneas no trazadas, o para descongestionar zonas demasiado densas. Una vez terminado el trazado de las pistas, se dispone de programas para: — Comprobar que la red de conexiones físicas se corresponde con la red lógica del esquema. — Comprobar que no se vulneran reglas de diseño, tales como distancias mínimas entre pistas o entre pistas y puntos, y superposición correcta de conexiones. — Asignar longitudes, o capacidades y resistencias equivalentes a las conexiones lógicas para cálculo de retraso de señal. — Simulación integral del circuito con análisis funcional, de retrasos de señal y de velocidad de operación del circuito. Documentación Terminado el diseño del circuito se dispone de información gráfica y alfabética en la base de datos para obtener toda la información necesaria para la fabricación: — Listas de componentes — Planos de circuito impreso — Cintas para las máquinas de control numérico de taladrado de placas e inserción de elementos — Fotolitos para el grabado del circuito impreso DISEÑO DE CIRCUITOS INTEGRADOS El gran avance experimentado a partir de los años 70 en la tecnología de la microelectrónica permite la fabricación de circuitos integrados sumamente complejos, conteniendo algunos centenares de miles de transistores en unos pocos milímetros cuadrados, con unas docenas de terminales de entrada-salida como únicos puntos de relación con el exterior. A estas escalas de integración, la dificultad de diseño y desarrollo es tan elevada que, incluso con la utilización de técnicas interactivas de diseño 150


por ordenador, el tiempo de respuesta sería demasiado elevado para su aplicación industrial. Las mismas técnicas de simulaicón global por vectores de ensayo son inutilizables por la simple dificultad de análisis de los resultados. Pero por otro lado, la industria tiene necesidad de incorporar a sus productos el potencial de automatismo y control que supone la utilización de la microelectrónica. Para llenar esta necesidad, las empresas recurren a sistemas electrónicos a base de circuitos integrados estándar, de baja o mediana complejidad, incorporados a placas de circuitos impresos o bien sistemas con microprocesadores, con sus correspondientes chips de memoria, y otros circuitos integrados de control de entradasalida, sobre placas de circuito impreso. Pero estos sistemas además de un desarrollo a veces complejo no tienen ni la fiabilidad, ni el coste, ni el tamaño que puede ofrecer la tecnología de un circuito integrado complejo que por otra parte pocas empresas tienen el potencial económico y técnico para poder desarrollar. Para eliminar la necesidad de montaje de los circuitos integrados en placas de circuito impreso, se ha desarrollado la técnica semicustom, que permiten al usuario integrar en un chip VLSI varios centenares de chips individuales, en un tiempo de diseño parecido al de desarrollo del circuito impreso equivalente. Con este sistema, el usuario diseña el circuito integrado que precisa, a partir de unos elementos o módulos estándar ofrecidos por los fabricantes. Los procedimientos más utilizados son el de células estándar, y el de matrices de puertas lógicas. En el de células estándar (standar cell) el fabricante ofrece unos módulos que contienen un circuito lógico totalmente caracterizado en términos físicos y eléctricos. El usuario constituye su esquema lógico con las células de la librería del fabricante. Con potentes programas de ordenador, efectúa la colocación y conexionado automático de las células en la superficie del chip. En el sistema de matrices de puertas lógicas, se dispone integrados en el chip una colección de transistores o puertas lógicas elementales, a falta de un último proceso de metalización, que proporcionará el conexionado del circuito. A éste se reduce el proceso de diseño. Para cubrir estas necesidades de diseño, el CAD electrónico ha evolucionado hacia equipos específicos de elevada potencia de cálculo, y un soft que busca conseguir el paso totalmente automático, desde la definición del esquema del circuito, hasta la obtención de la cinta magnética para la máquina de generación de patrones para las máscaras. Los módulos de edición gráfica, simulación eléctrica, colocación y conexionado automático, simulación integral, comprobación de reglas de diseño y de documentación, son similares en su funcionamiento a las ya descritas anteriormente y están adaptadas a las necesidades específicas de la tecnología del circuito integrado.

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Aplicación del CAD a otras áreas industriales

EL DISEÑO POR ORDENADOR EN LAS EMPRESAS DE INGENIERÍA Las posibilidades de construcción y edición gráfica de los sistemas de diseño por ordenador, su capacidad de simulación y cálculo, junto a las facilidades de documentación lo convierten en una herramienta imprescindible para una ingeniería competitiva sea cual sea su ámbito, civil, industrial, urbana, sanitaria, química, etc. Allí donde exista un plano, un cálculo, un informe, existe un sistema informático que puede mejorar la productividad, la calidad y el tiempo de respuesta; desde volúmenes muy pequeños, como en la oficina de un sólo profesional, hasta grandes volúmenes correspondientes a las grandes ingenierías multinacionales. Hemos visto que el mercado informático ofrece una amplia gama de soluciones específicas para cada área, con equipos adaptados en capacidad y coste a las distintas necesidades. En consecuencia, el número de aplicaciones específicas del ordenador es tan elevado y variado, que es imposible ni tan siquiera enumerarlas. Nos limitaremos a dar una panorámica de las aplicaciones más difundidas en cada área. Ingeniería civil Englobaremos en ella las actividades de diseño de obra civil; por ejemplo: redes de carreteras y vías férreas con sus puentes y túneles, obras hidráulicas como presas, canales, diques y puertos. La aplicación más frecuente del ordenador, la encontramos en todos los procesos de ingeniería estructural. Es decir, definición del modelo de la estructura en 2D ó 3D según proceda, y su estudio por el procedimiento de elementos finitos. A partir de una malla generada por el procesador, unas condiciones de carga y de contorno, el programa de cálculo establece para cada elemento su estado de tensión y su deformación que puede visualizarse a través del postprocesador en forma de estructura deformada o de mapa de tensiones. A partir de los resultados obtenidos, y en un procedimiento iterativo, el proyectista establece el modelo definitivo. Si bien se ha adelantado bastante en programas de optimización automática del modelo, no existen todavía en el mercado paquetes que den el diseño óptimo. Otra aplicación, es el trazado en planta de vías de comnicación sobre planos topográficos, con la determinación de perfiles de ruta, volúmenes de excavación, longitud de túneles, número de puentes, longitud y alturas. 152

Aplicaciones del CAD a otras áreas industriales

La disponibilidad de una cartografía realizada en CAD, facilita en gran manera la entrada de datos. Precisameute la cartografía es una de las aplicaciones primeras del CAD, y representa ella sola un 15 % del volumen total del mercado actual del mismo, con gran cantidad de instalaciones funcionando en todo el mundo y también en España.

Plano de una ciudad en CAD.

Los paquetes de cartografía incluyen programas de recogida, compilación, análisis, almacenamiento y representación en terminal y en forma de mapa, de todo tipo de información geográfica. Permite obtener modelos en 3D de las superficies del terreno para planificación y estudios de emplazamientos de cualquier tipo de obra civil, con toda clase de cálculos geométricos de gradientes, distancias, áreas, volúmenes, etc. El tratamiento de datos asociados a la base de datos geométrica, permite todo tipo de estudio catastral, así como la obtención de gran cantidad de mapas temáticos. Finalmente, señalaremos la utilización del CAD para obtener modelos en 3D de la obra a realizar, que además de facilitar el análisis estructural ya 153


Dibujo de un modelo de una oficina, vista en 3 dimensiones.

mencionado, permiten visualizar formas y perspectivas de la obra y su entorno, cálculo de volúmenes de materiales y de movimiento de tierras, obtención de planos de detalle, listas de materiales, estimación de costes y plazos.

Ingeniería industrial Considerando dentro de este apartado el diseño de edificios e instalaciones industriales, las aplicaciones del CAD más extendidas son: — Distribuciones en planta: Es decir, estudio de cómo distribuir unos elementos de forma conocida dentro de un recinto dado, según unas reglas que en cada caso pueden ser distintas —máximo aprovechamiento de espacio, mínima distancia entre elementos, secuencias determinadas, mínimo recorrido—. En general se trabaja en 2D. Frecuentemente este sentido se asocia con el análisis de flujo y recorrido de materiales y elementos de transporte. — Diseño y ubicación de redes de transporte: electricidad, agua, gas, aire comprimido. Para ello precisa de la estructura en 3D de los edificios industriales. En general es suficiente con un modelo de alambres. Con ella puede estudiar la posición y sujeción de cables y tuberías, y los programas específicos de CAD le permitirán ir dibujando interactivamente el trazado de la red. En este caso es interesante disponer de una librería geométrica parametrizada de los elementos necesarios —tubos, codos, tes, empalmes, bridas— de forma que el proyectista pueda construir la instalación a base de copiar en el plano el elemento a la escala correspondiente y la orientación adecuada. Una 154


vez terminado el modelo de instalación, podrá simular su funcionamiento calculando, según proceda, tensiones, intensidades, presiones, caudales, en los distintos puntos de la red. Como documentación obtendrá listas de materiales, costes, planos y esquemas de la red. — Diseño de los edificios industriales: En la arquitectura industrial, el CAD cubre el mismo tipo de funciones que la arquitectura civil, si bien la ponderación de los distintos aspectos es muy diferente. En la industrial los objetivos apuntan a la máxima funcionalidad y mínimo coste, con lo que se obtienen edificios bajos, con materiales y acabados en general baratos; es decir, la típica nave industrial, con sus correspondientes oficinas. El diseño por ordenador nos facilitará: a) El diseño de la arquitectura, es decir, dimensiones y formas del edificio. En general consiste en crear un modelo en 3D de alambres que se podrá completar con superficies para el estudio de vistas y perspectivas del edificio. b) El análisis estructural del edificio por elementos finitos. c) La planificación de espacios, despachos, salas, talleres. d) El diseño de las instalaciones de servicios —ascensores, calefacción, ventilación, aire acondicionado, agua, desagües—, en sus apartados de cálculo y ubicación de los equipos. e) Diseño de interiores, o sea, distribución en oficinas, despachos, etc.

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Distribución en planta de una oficina.


Modelo de una instalación deportiva.

Al finalizar el diseño, el tratamiento de la información alfabética asociada a los distintos elementos gráficos, nos permitirá conocer cantidades de materiales, listas de elementos, costes de la obra, y disponer de todos los planos constructivos de la misma. Ingeniería de planta El diseño de plantas industriales de proceso continuo en cualquier área industrial: química, alimentaria, cementera, metalúrgica, petroquímica, centrales nucleares, etc., se presta a la utilización del ordenador. La complejidad de las instalaciones y sus elementos de monitorización y control, unida a una elevada repetibilidad de módulos y semejanza entre distintas instalaciones, hace necesaria, y muy productiva, la automatización de todas las actividades de diseño. Los paquetes de soft existentes ofrecen, además de las funciones geométricas básicas, facilidades para: — Disponer de una amplia librería parametrizada, de modo que la inserción de figuras en el modelo se efectúe en las dimensiones adecuadas. — Insertar fácilmente las figuras en la dirección deseada, o co n las 156


condiciones de contorno definidas. — Disponer de plena asociatividad entre modelos y detalles, y entre figuras geométricas y sus propiedades. En general se construye un modelo en 3D de la instalación de los equipos industriales, la estructura de soporte, las conducciones, válvulas e instrumentos de control. Utilizando la dinámica de pantalla, se puede inspeccionar desde distintos puntos de vista. La detección automática de interferencias ayudará a modificar los errores de diseño. Una vez finalizado el dibujo y comprobación del modelo, se procede a efectuar los dibujos de detalle, con toda la información gráfica y alfabética necesaria para la fabricación a instalación de los elementos. Las geometrías de los dibujos interesa extraerlas del modelo para conservar la asociatividad y así asegurar la coherencia de datos y facilitar las modificaciones que puedan introducirse. Para que las figuras quepan en el formato de plano a utilizar, el ordenador reduce la figura a la escala conveniente, pero conservando siempre, en la base de datos, las dimensiones reales. El paquete de soft, dispone también de módulos para dibujar los diagramas del proceso, así como los esquemas de las instalaciones eléctricas y de las redes de tuberías y de la instrumentación de medida y control. Existen también en el mercado programas de cálculo y simulación, tanto de operaciones básicas, como de algunos procesos complejos, que, si bien no acostumbran a estar incluidos en los paquetes gráficos de los suministradores de CAD, pueden incorporarse en nuestros sistemas y utilizarse con mayor o menor trabajo de preproceso de datos. Estos simuladores nos permitirán comprobar, no sólo el correcto funcionamiento de nuestro diseño en condiciones normales, sino también

Modelo de una planta química.

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estudiar condiciones anormales, o maniobras fuera de norma y preveer los sistemas de seguridad correspondiente. ingeniería urbana La ingeniería de las grandes ciudades se encuentra con el grave problema de falta de coherencia entre la red de galerías e instalaciones reales y su situación según los planos de que dispone. La enorme cantidad de planos, la desaparición con el tiempo de puntos claves de referencia hace que sea prácticamente imposible asegurar su mantenimieto de acuerdo con las modificaciones de circuitos que se van introduciendo en la realidad. La ayuda que los programas gráficos pueden aportar empiezan por el desarrollo cartográfico. Planos fiables, en tres dimensiones de calles, túneles, galerías de servicios, desagües, zonas y edificios singulares. Sobre esta base se puede incorporar y diseñar todo tipo de red de servicios, agua, gas, electricidad, iluminación, señales de tráfico, redes de control de contaminación ambiental. Y todo ello utilizando una misma base de datos relacional con lo que se asegura la coherencia de datos entre los destinos planos e informaciones que se obtengan a partir de la misma. EL CAD EN LA INDUSTRIA TEXTIL En la industria textil encontramos una típica aplicación del CAD en 2D. El diseño de moda con la creación de modelos a todo color y el dibujo, escalado y anidado de piezas. En el primer caso las facilidades de diseño, los cambios de color y textura en la prenda diseñada y una impresión de calidad permiten la confección de muestrarios. En el segundo los modelos gráficos permiten dibujar un patrón base sea partiendo de cero, sea aprovechando la base de datos de patrones similaEjemplo de dibujo de un patrón en una industria de la confección y posterior escalado para otras tallas.

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res anteriores y modificándolo. Utilizando las facilidades del escalado se obtiene la gama de piezas correspodientes a cada talla por encima o por debajo de la patrón. Seguidamente se procede al "anidado" de las piezas de todas las tallas en el tejido para que al cortar obtengamos el máximo aprovechamiento de la tela. El marcado-anidado puede ser automático o semiautomático. En éste es el operario el que desplazando interactivamente las figuras por el área del tejido obtiene la distribución que le parece óptima. La marcada se dibuja sobre papel a tamaño natural, si el proceso de corte es manual, o se guarda en la base de datos para posterior acceso por la máquina de corte automático. Anidado o marcado de las piezas sobre un tejido.

En España la aplicación del CAD en la industria textil ofrece con respecto al volumen total del CAD un porcentaje más elevado que en el resto de Europa. Como motivo para un mayor desarrollo respecto a otras áreas se pueden citar: — Coste de equipo proporcionalmente inferior, por no precisar desarrollar en 3D ni cálculos ni simulaciones complejas, lo que permite la utilización de ordenadores personales. — Desarrollo de un soft integrado que abarca todas las funciones por una empresa nacional. — Adecuación de la herramienta a las necesidades del mercado. Permite reducción de plazos y costes del proceso. EL CAD EN LAS ARTES GRÁFICAS La aplicación del ordenador a la máquinas de fotocomposición ha cambiado radicalmente la metodología de trabajo en las industrias gráficas. 159

Diseño Industrial Por Computador

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