Software y Hardware de Los Sistemas CAD y CAE

SOFTWARE Y HARDWARE DE LOS SISTEMAS CAD/CAE Jorge Salazar Alcaraz INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COLIMA Departamento de Ingeniería Mecatrónica Av. Tecnológico No. 1 Col. Liberación, C.P. 28976. Tel. 312 63 93 Villa de Álvarez, Colima, México. [[email protected]]

Resumen. El presente trabajo representa una búsqueda bibliográfica donde se señalan, describen y analizan los puntos más sobresalientes del Software y Hardware de los sistemas CAD/CAE, considerando las herramientas, dispositivos o aplicaciones más indispensables de éstos. Además, se anexa una introducción sobre conceptos relacionados a estos sistemas para el previo conocimiento e interpretación y se mencionan algunos ejemplos más utilizados a nivel nacional de estos programas. Palabras Clave. Software, Hardware, Ingeniería, Sistemas, Diseño Avanzado, Ordenador, Representación, Diseño Asistido por Computadora, Tecnología, Ingeniería Asistida por Computadora, Geometría, Cálculo Matemático, Lenguajes de Ingeniería, Computador.

1. INTRODUCCIÓN. La automatización de los procesos a través de los años ha dado lugar a un avance espectacular de la industria. Todo ello ha sido posible gracias a una serie de factores entre los que se encuentran las nuevas tecnologías en el campo mecánico, la introducción de los computadores, y sobre todo el control y la regulación de sistemas y procesos. El computador es conocido como un potencial recurso tecnológico que desde su invención ha marcado la diferencia en cuanto a las múltiples actividades que puede desarrollar el operador. Desde tareas muy sencillas a procesos manualmente difíciles, han sido llevados a cabo en ordenadores con cantidades de tiempo cada vez menor, lo cual se traduce en practicidad, confiabilidad y precisión, dado que además la calidad del trabajo se torna mejor cuando es realizada en un computador. Tales virtudes no han sido desapercibidas por el importante sector industrial – comercial que mueve al mundo, pues día a día son más los procesos productivos donde se involucra el sistema inteligente para ejecutar las actividades operativas. Incluso desde la simple concepción de la idea, hasta la entrega de un producto terminado, se recurre al uso del computador mediante los distintos programas o softwares y demás paquetes informáticos necesarios para tal fin.

2. DESARROLLO. 2.1. Hardware de los Sistemas CAD/CAE. La característica fundamental de los sistemas CAD en lo que se refiere al hardware es que son sistemas con gran capacidad de cálculo, y sobre todo, con subsistemas gráficos de altas prestaciones. Otra característica diferenciadora es el uso de dispositivos específicos de entrada y salida, por la necesidad que la funcionalidad de estos sistemas requiere. [1]

Figura 1 Estructura general de un Sistema CAD.

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Un dispositivo gráfico se compone de un procesador gráfico y varios dispositivos de entrada y salida. [1] 2.1.1. Dispositivos de entrada. Digitalización 2D: Permiten adquirir las coordenadas “x” e “y” de objetos planos, normalmente impresos en documentos de papel. Entre estos dispositivos se encuentran las tabletas digitalizadoras, en las que la digitalización se realiza fijando el papel a la tableta y marcando los puntos deseados. En este grupo se encuentran también los escáneres y capturadoras de imagen. La digitalización en este caso se realiza superponiendo la imagen adquirida con la aplicación de modelado, de tal forma que los pixeles de dicha imagen se utilizan como referencia para la creación de las entidades del modelo. [1, 2] Digitalización 3D: En este caso se trata de obtener la geometría tridimensional de un objeto. Para ello será necesario conocer las coordenadas “x”, “y” y “z” de los vértices del objeto. Para adquirir dichas coordenadas se utilizan distintas técnicas y dispositivos entre los que están el palpador 3D, los sistemas basados en vídeos, y los sistemas basados en láser. [1] Dispositivos táctiles: Proporcionan al usuario la sensación de contacto físico. Estas sensaciones se producen mediante un sistema de realimentación de la fuerza que se produciría si se estuviese manejando un objeto real en lugar de un modelo geométrico. [1] Dispositivos de seguimiento y captura de movimiento (tracking): Utilizan sistemas electromagnéticos, ultrasónicos, ópticos o mecánicos para determinar la posición y orientación del objeto que está siendo rastreado. Se utilizan habitualmente en aplicaciones de animación para capturar movimientos reales complejos, en los dispositivos de visualización montados sobre la cabeza o en los guantes de datos. [2] Guantes de datos: Están equipados con sensores en cada articulación que miden los ángulos para determinar la posición y orientación de mano y los dedos. La posición global de la mano se determina mediante un sistema de tracking. La información generada por el guante de datos suele ser regenerada de forma gráfica mostrando de forma dinámica los movimientos del usuario. [1, 2] 2.1.2. Dispositivos de salida. Dispositivos de visualización montados sobre la cabeza: Son dispositivos de visualización inmersiva. Habitualmente están montados dentro de cascos o gafas. Contienen dos pequeños displays, uno enfrente de cada ojo, sobre los que se proyectan imágenes en estéreo. Incorporan un sistema inalámbrico de tracking, de manera que la visualización cambia de acuerdo con el movimiento de la cabeza. Existen versiones sencillas que no son tan inmersivas, habitualmente gafas, donde se proyecta una única imagen, sin sistema de tracking y que en algunos casos permiten cierto grado de transparencia en los displays para superponer imagen sintética sobre la realidad. [1, 2] Impresoras de hologramas: Imprimen escenas tridimensionales compuestas de miles de imágenes individuales generadas desde distintos puntos de vista. La impresión se realiza sobre un material fotográfico especial. Dispositivos de fabricación rápida de prototipos: Producen prototipos reales en tres dimensiones en un corto espacio de tiempo. Estos prototipos son pequeñas figuras de resina o polímeros con la forma del modelo geométrico a partir del cual se generan en un solo paso. Existen varias tecnologías para generarlos, entre las que se encuentra la estéreo-litografía, el sinterizado o el laminado. [2] 2.1.3. Otros dispositivos. La tecnología CAD implica el manejo y conocimiento de otros dispositivos específicos como son: Trazadores de corte: Son dispositivos que incorporan un cabezal de dibujo y una herramienta de corte. Habitualmente trabajan sobre materiales plásticos, vinilo o papel. [1] Máquinas – herramientas: Son las máquinas sobre las que se ejecutan los programas de control numérico generados en los sistemas CAD. Existen multitud de tipos y modelos en el mercado para satisfacer los requerimientos de todas las posibles aplicaciones industriales.

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Robots: Normalmente se trata de dispositivos homomorfos porque imitan la forma de un brazo humano. En el extremo de dicho brazo se les acopla una herramienta que puede servir para cortar, soldar, pintar, manipular, etcétera. Se programan mediante aplicaciones que permiten especificar la trayectoria de la herramienta y la operación a realizar. [2] Dispositivos de transporte automatizados: Se utilizan dentro de las células de fabricación flexible para transportar las piezas sobre las que se tiene que realizar alguna operación como su ensamblado o manipulación por robots u otras máquinas, su inspección por un sistema automatizado, etcétera. Máquinas de inyección: Utilizan complejos de moldes mecánicos en los que inyectan materiales plásticos a alta temperatura y presión para formar las piezas de materiales plásticos. [1]

Figura 2 Hardware de los Sistemas CAD.

2.2. Software de los Sistemas CAD/CAE. Proporciona las herramientas necesarias para desarrollar trabajos técnicos de forma eficiente. Cualquier herramienta que contribuya a la reducción del coste temporal y económico de desarrollo de un producto y/o aumento en la calidad del producto se puede considerar software de CAD. La clava fundamental del CAD son las herramientas que permiten la creación y manipulación interactiva del modelo que se está diseñando. [2, 3] Dentro del software de CAD se encuentran las aplicaciones de CAE que permiten el análisis de la geometría del diseño y su evaluación, según los requerimientos especificados en la fase de diseño. Estas aplicaciones permiten realizar la optimización de os productos siguiendo criterios tanto de diseño como de fabricación. Ejemplos de este tipo de herramientas son las aplicaciones de análisis por el método de elementos finitos o las aplicaciones de simulación existentes en la mayoría de las disciplinas de la industria. [4] La tendencia en estos sistemas se encamina hacia las aplicaciones modulares, capaces de trabajar con una base de datos única e integrada. Un ejemplo típico sería el diseño de circuitos impresos que comienza con un diseño lógico, el cual es evaluado, verificado, simulado y optimizado. Después, se procede al diseño físico de la placa, el cual es de nuevo verificado, simulado y optimizado antes de pasar a la fase de producción. Existen multitud de soluciones en el mercado tanto de CAD como de CAE. A pesar de esta diversidad, todas estas herramientas tienen ciertas características comunes entre las que se pueden citar las siguientes: • Desarrolladas en lenguajes de programación estándar, sobre todo C y antes FORTRAN, Pascal y otros. • Aplicaciones interactivas con interfaces gráficas. • Requieren gran potencia de cálculo. • Utilizan bases de datos tridimensionales, centralizadas, asociativas e integradas. Contienen toda la información producida durante la fase de diseño y la de fabricación. • Aplicaciones complejas formadas por varios módulos y desarrolladas a lo largo de muchos años. • Su aprendizaje requiere mucho tiempo y esfuerzo para llegar a ser productivo. • Se producen actualizaciones frecuentes. [3]

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El software de CAD tiene una estructura genérica formada por módulos comunes que se complementan con módulos de aplicaciones específicos: Sistema operativo: Manejo de cuentas, ficheros, directorios, editores. Módulo gráfico: Funciones de modelado geométrico, construcción, edición y manipulación de entidades geométricas, dibujo de planos y documentación. Módulo de aplicaciones: Distintos módulos según área (mecánica, arquitectura, animación, electricidad, etcétera). [1, 3] Módulo de programación: Herramientas de programación estándar para cálculos y gráficos. Módulo de comunicaciones: Vital para la integración, para conectar los diversos módulos del sistema y para transferir información entre sistemas. [2] Los usuarios del software CAD se pueden clasificar en tres grupos: Operadores: Son la mayoría de usuarios incluyendo ingenieros, diseñadores, delineantes, etcétera. Suelen ser especialistas en unos pocos módulos y cuentan con el soporte del administrador del sistema y del proveedor. Programadores de aplicación: Desarrollan pequeñas aplicaciones y las enlazan con los módulos existentes pero no pueden modificar el código fuente. Personalizan las aplicaciones para adaptarlas a las necesidades particulares de una empresa. Suelen ser programadores que además son usuarios expertos del sistema. Utilizan los módulos de programación del sistema. Trabajan en grandes empresas que utilizan mucho un sistema o en empresas de servicios. [4] Programadores del sistema: Son los que crean y desarrollan el sistema completo. Son conocedores de la estructura interna del software, de la estructura con la base de datos y del sistema de gestión de la misma. Deben tener conocimientos gráficos, ingeniería y por supuesto de programación. Trabajan en empresas proveedoras de sistemas o en grupos de I+D.

Figura 3 En la primera imagen se observa un software de Diseño Asistido por Computadora (CAD) aplicado a la Arquitectura, y en la segunda imagen se aprecia un software de Ingeniería Asistida por Computadora (CAE) aplicado a sistemas hidráulicos con su análisis térmico.

2.3. Tipos de Software CAD/CAE en México. Cualquier técnico que esté trabajando con software o pretenda trabajar con ellos, busca en la web recursos para iniciarse pero siempre hay una coletilla final en todo programa del tipo “software CAD…” o “software CAM…” pero que significa estas siglas y que le diferencian de un software CAM, por ejemplo. [1, 2] Software CAD (Computer Aided Design), traducido es diseño asistido por ordenador, este tipo de software permite el diseño de elementos a través de un ordenador de manera interactiva y muy dinámica. Además permite ensamblar diferentes componentes para así ver las posible interacciones entre ella, un

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programa de estas características nos permite realizar los planos del conjunto o de la pieza de manera individual y llevarlos a producción. Este tipo de software se usa en mecánica para el diseño de maquinaria, en el campo de electricidad se usa para el esquema de conexiones y en el campo civil se usa para el diseño de estructuras; hay otros campos en los que se usa pero estos son los más representativos. Algunos de estos tipos de software son CATIA, SOLIDWORKS, Autocad, Inventor etcétera… en la imagen podemos ver el ensamblado de una motocicleta mediante SolidWorks. [3]

Figura 4 Diseño realizado en software CAD.

Software CAM (Computer Aided Manufacturing), traducido es fabricación asistida por ordenador, una vez realizado el modelado CAD pasamos a trabajar con este modelo pero de una manera orientada a la fabricación, gracias a esto podemos aplicar las operaciones necesarias hasta obtener dicho modelo partiendo desde un cubo metálico. [1, 2] Por lo tanto, nuestro objetivo con este software es obtener el código CNC para introducírselo a la máquina y con ello realizar las operaciones de manera automática. Algunos de este tipo de software son Catia, SolidWorks, NX etcétera… que te permiten realizar el modelo CAD y luego realizar la simulación en cuanto al mecanizado. El problema de este software es que no están muy especializados y comenten fallos en el cálculo de tiempos, para ello existen programas del tipo WINUNISOFT que te permite optimizar tu código y depurarlo hasta obtener la solución perfecta. [4] La siguiente imagen muestra un poco el proceso que se siguen en la fabricación para manipular una pieza por CNC desde que es concebida hasta que es ejecutada. [3]

Figura 5 Proceso de un software CAM.

Software CAE (Computer Aided Engineering), traducido es ingeniería asistida por ordenador, su misión es analizar el modelo trabajado en CAD pero desde un punto de vista de rentabilidad, la viabilidad de su fabricación, simulación etcétera… de esta manera podemos realizar un estudio con el costo del producto y ver si es o no capaz de hacerse sitio en el mercado. [1] Algunos de los más conocidos son ANSYS, ABAQUS o NASTRAN. [2] La siguiente imagen muestra el análisis de desplazamiento en una rotula de una dirección mediante el software ANSYS WORKBENCH.

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Figura 6 Análisis de desplazamiento en un software CAE.

La siguiente imagen muestra el análisis tensional de una viga mediante ABAQUS. [2]

Figura 7 Análisis tensional en un software CAE.

Llegados a este punto seguro que alguno de ustedes le surge la duda del siguiente software, muy conocido y muy difícil de comprender…MATLAB, ¿Qué tipo de software es Matlab? Matlab no es un programa de diseño al uso sino un programa IDE integrated development environment que traducido significa entorno de desarrollo integrado. Es un programa matemático orientado a la programación en cálculo numérico con un lenguaje propio del tipo M. [3, 4]

3. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS. Como se analizó, los nuevos Ingenieros debemos ser formados con el conocimiento y la capacidad de saber utilizar herramientas CAD/CAE, demostrando nuestra disposición de acceder y aplicar tecnología de punta disponible en diseño de elementos. Es indispensable utilizar las herramientas adecuadas a la dinámica de la era actual; esto posibilita la realización fácil de tareas complejas, a un costo que en la actualidad es moderado y plenamente justificado. En resumen los Sistemas CAD/CAE son tecnologías fundamentales debido a la mejora de la calidad. Los productos salen de su proceso de fabricación casi perfectos, la tecnología CAD/CAE disminuyen al mínimo los posibles errores de fabricación, disminución de costes, tiempos de diseño y producción. En el producto final, no es necesario modificar de nuevo, una vez diseñado con las potentes herramientas CAD/CAE y confirmado el producto, se envía a manufacturar. Hoy en día, la amplia aplicación de estos sistemas se ve involucrada en áreas como la arquitectura, hidráulica, industria textil, alimenticia, diseño de juguetes, calzado, automotriz, estructural, industrial; lo que un dominio correcto de estos softwares abre puertas de empleo en diferentes empresas. A futuro, se tiene la finalidad de comenzar a realizar una serie de prácticas en diferentes softwares que utilicen los sistemas descritos en estos reportes. Además, realizar estudios, análisis y evaluación de las herramientas disponibles en la actualidad. Tomando en cuenta una visión en el futuro como Ingeniero en Mecatrónica.

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4. REFERENCIAS. [1] Henry Goodstein, David: MARCAMBO España. Sistemas CAD/CAM/CAE: Diseño y fabricación por computadora, pp. 48 – 310 (1998). ISBN: 96-886-1041-0 [2] Henry Goodstein, David: National Composition Association. CAM Systems, pp. 2 – 33 (1980). [3] Rajaraman, V: Elsevier Scientific Pub Universidad de California. CAD/CAM/CAE for Industrial Progress, pp. 23 – 235 (2008). ISBN: 04-447-0000-5. [4] García Higuera, Andrés. MARCAMBO España. Sistemas Asistidos por Computadora, pp. 69 – 148 (2007).

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