SISTEMAS CAD/CAE

1. INTRODUCCIÓN.

La automatización de los procesos industriales 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.

La incorporación de los computadores en la producción es, sin lugar a dudas, el elemento puente que está permitiendo lograr la automatización integral de los procesos industriales. La aparición de la microelectrónica y de los microprocesadores ha facilitado el desarrollo de técnicas de control complejas, la robotización, la implementación de sistemas de gobierno y la planificación. Todos estos elementos llevan consigo la reducción de costos, el aumento de la productividad y la mejora de calidad del producto.

La primera época de la automatización estuvo marcada por la aplicación de dispositivos capaces de controlar una secuencia de operaciones y el comienzo del estudio sobre la regulación automática. Además, a nivel de empresa, se desarrolló el concepto de producción continua tanto para la fabricación de productos típicamente continuos, como para los de tipo discreto.

La segunda época, desde la Segunda Guerra Mundial hasta nuestros días, se ha caracterizado por la aparición de la microelectrónica y con ello la de los computadores, y a su vez por el gran avance de la Teoría del Control. También en esta época, la introducción de los robots industriales en la fabricación de series pequeñas y medianas ha incrementado sustancialmente la flexibilidad y autonomía de la producción.

2. SISTEMAS CAD/CAM.

Ambas siglas provienen de su denominación en inglés. Para diseñar usaremos el C.A.D. (Computer Aided Design), mientras que para la fabricación se emplea el C.A.M. (Computer Aided Manufacturing).

El diseño y fabricación con ayuda de computador, comúnmente llamado CAD/CAM, es una tecnología que podría descomponerse en numerosas disciplinas pero que normalmente, abarca el diseño gráfico, el manejo de bases de datos para el diseño y la fabricación, control numérico de máquinas herramientas, robótica y visión computarizada.

Históricamente los CAD comenzaron como una ingeniería tecnológica computarizada, mientras los CAM eran una tecnología semiautomática para el control de máquinas de forma numérica. Pero estas dos disciplinas se han ido mezclando gradualmente hasta conseguir una tecnología suma de las dos, de tal forma que los sistemas CAD/CAM son considerados, hoy día, como una disciplina única identificable.

SOFIA YADIRA CORTINAS PADILLA 5º “C”

SISTEMAS CAD/CAE

La evolución del CAD/CAM es como sigue:

SISTEMAS PIS. (Sistema de información de Imágenes)

Un sistema de este tipo es una forma especial de sistema de información que permite la manipulación, almacenamiento, recuperación y análisis de datos de imágenes. La lista de nuevas aplicaciones dentro del procesamiento digital de imágenes ha crecido al incluir CAD interactivo, procesamiento de datos geográficos, sensores remotos para estudiar los recursos de la tierra, procesamiento de datos relativos a economía agrícola, aplicaciones a la cartografía y a la realización de mapas.

ANALISIS DE IMAGENES VARIABLES EN EL TIEMPO. (Sistemas CATVI)

Los CATVI comprenden métodos y técnicas de procesamiento de imágenes variables en el tiempo, con el fin de encontrar diferencias entre las secuencias de una escena, transmitida por un sensor de visión y almacenadas en un computador, y que son causadas por el movimiento de objetos o del sensor.

SISTEMAS FMS. (Sistema de Fabricación Flexible)

La arquitectura de la red de ordenadores en un FMS es jerárquica con tres niveles de operación. Un computador, maestro o principal, ejerce el control del sistema de computadores, el segundo nivel de computadores subordinados al principal se denomina Módulo de Control Numérico, el cual supervisa las operaciones de la máquina-herramienta.

El nivel más bajo de control por ordenador es el sistema de Control Numérico Computarizado el cual está directamente relacionado con la máquina-herramienta.

SISTEMAS AM. (Fabricación Autónoma)

Los Sistemas AM están relacionados con las metodologías de tomas de decisión necesarias para la planificación y el control. Los AM pueden descomponerse en dos niveles, la Fábrica y la Célula de fabricación.

SISTEMAS ISIS. (Sistema de Inteligencia Artificial)

Es un sistema de Inteligencia Artificial capaz de solucionar el problema de cómo construir de forma precisa en el tiempo adecuado, los inventarios reales y manejarlos en el ambiente de una empresa.

CELULAS TRANSPORTABLES.

Es un sistema diseñado para usar una gran variedad de máquinas (cada una de las cuales se comunica con el sistema en diferentes lenguajes), coordinarlas y operar con ellas sin fallos.

2.1. SISTEMAS CAD.

SOFIA YADIRA CORTINAS PADILLA 5º “C”

SISTEMAS CAD/CAE

CAD es el acrónimo inglés de Computer Aided Design, y significa Diseño Asistido por Computador. La tecnología CAD se dirige a los centros técnicos y de diseño de una amplia gama de empresas: sector metalmecánico, ingeniería electrónica, sector textil y otros.

El uso de la tecnología CAD supone para el diseñador un cambio en el medio de plasmar los diseños industriales: antes se utilizaba un lápiz, un papel y un tablero de dibujo.

Con el CAD, dispone de un ratón, un teclado y una pantalla de ordenador donde observar el diseño. Así, un computador, al que se le incorpora un programa de CAD, le permite crear, manipular y representar productos en dos y tres dimensiones. Esta revolución en el campo del diseño ha venido de la mano de la revolución informática.

Las mejoras que se alcanzan son:

- Mejora en la representación gráfica del objeto diseñado: con el CAD el modelo puede aparecer en la pantalla como una imagen realista, en movimiento, y observable desde distintos puntos de vista. Cuando se desee, un dispositivo de impresión (plotter) proporciona una copia en papel de una vista del modelo geométrico.

- Mejora en el proceso de diseño: se pueden visualizar detalles del modelo, comprobar colisiones entre piezas, interrogar sobre distancias, pesos, inercias, etc. En conclusión, se optimiza el proceso de creación de un nuevo producto reduciendo costes, ganando calidad y disminuyendo el tiempo de diseño.

En resumen, se consigue una mayor productividad en el trazado de planos, integración con otras etapas del diseño, mayor flexibilidad, mayor facilidad de modificación del diseño, ayuda a la estandarización, disminución de revisiones y mayor control del proceso de diseño.

Un buen programa CAD no sólo dispone de herramientas de creación de superficies, sino también de posibilidades de análisis y verificación de las mismas, entendiendo por superficies correctas aquéllas cuyos enlaces entre ellas son continuos en cuanto a tangencia y curvatura, y sin contener zonas donde se ha perdido continuidad de curvatura.

No obstante, al no ser posible detectar todos los defectos, en muchos casos es aconsejable fabricar un modelo real de la pieza a fin de poder analizar mejor el resultado obtenido, sobre todo en aquellos casos en que a partir de las superficies creadas en el CAD se diseña el molde. Para fabricar dichos modelos se utilizan tecnologías de fabricación rápida de prototipos.

Además de la verificación de las superficies, un programa CAD avanzado permite trazar superficies paralelas a las creadas, por ejemplo generando la piel interna de la pieza a partir de la piel externa en el caso de piezas con un espesor uniforme conocido y debe tener los elementos necesarios para

SOFIA YADIRA CORTINAS PADILLA 5º “C”

SISTEMAS CAD/CAE

conseguir realizar sobre el modelo CAD todas las actividades de ingeniería de diseño necesarias (nerviado, fijaciones, centradores, elementos rigidizadores).

2.2. SISTEMAS CAM.

La ingeniería CAM hace referencia concretamente a aquellos sistemas informáticos que ayudan a generar los programas de Control Numérico necesarios para fabricar las piezas en máquinas con CNC. A partir de la información de la geometría de la pieza, del tipo de operación deseada, de la herramienta escogida y de las condiciones de corte definidas, el sistema calcula las trayectorias de la herramienta para conseguir el mecanizado correcto, y a través de un postprocesado genera los correspondientes programas de CN con la codificación especifica del CNC donde se ejecutarán. En general, la información geométrica de la pieza proviene de un sistema CAD, que puede estar o no integrado con el sistema CAM . Si no está integrado, dicha información geométrica se pasa a través de un formato común de intercambio gráfico. Como alternativa, algunos sistemas CAM disponen de herramientas CAD que permiten al usuario introducir directamente la geometría de la pieza, si bien en general no son tan ágiles como las herramientas de un sistema propiamente de CAD .

Algunos sistemas CAM permiten introducir la información geométrica de la pieza partiendo de una nube de puntos correspondientes a la superficie de la pieza, obtenidos mediante un proceso de digitalizado previo . La calidad de las superficies mecanizadas depende de la densidad de puntos digitalizados. Si bien este método acorta el tiempo necesario para fabricar el prototipo, en principio no permite el rediseño de la pieza inicial.

La utilización más inmediata del CAM en un proceso de ingeniería inversa es para obtener prototipos, los cuales se utilizan básicamente para verificar la bondad de las superficies creadas cuando éstas son criticas. Desde el punto de vista de la ingeniería concurrente es posible, por ejemplo, empezar el diseño y fabricación de parte del molde simultáneamente al diseño de la pieza que se quiere obtener con el molde, partiendo de la superficie externa de la pieza mientras aún se está diseñando la parte interna de la misma.

3. SISTEMAS CAE.

Bajo el nombre de ingeniería asistida por computador (Computer Aided Engineering) se agrupan habitualmente tópicos tales como los del CAD y la creación automatizada de dibujos y documentación. Es necesario pasar la geometría creada en el entorno CAD al sistema CAE. En el caso en que los dos sistemas no estén integrados, ello se lleva a término mediante la conversión a un formato común de intercambio de información gráfica.

Sin embargo, el concepto de CAE, asociado a la concepción de un producto y a las etapas de investigación y diseño previas a su fabricación, sobre todo cuando esta última es asistida o controlada mediante computador, se extiende cada vez más hasta incluir progresivamente a la propia fabricación. Podemos decir, por tanto, que la CAE es un proceso integrado que incluye todas las

SOFIA YADIRA CORTINAS PADILLA 5º “C”

SISTEMAS CAD/CAE

funciones de la ingeniería que van desde el diseño propiamente dicho hasta la fabricación.

Antes de la aparición de los paquetes de diseño, los diseñadores solo contaban con su ingenio y un buen equipo de delineantes que transportaban al papel sus ideas con un cierto rigor. Es quizás, por este motivo, por el que los primeros paquetes de diseño surgieron como réplica a estos buenos dibujantes, con la ventaja de la facilidad de uso, edición y rapidez.

Conforme el hardware evolucionaba y disminuían los costes de los equipos, los programas eran más rápidos y las bases de datos de mayor tamaño, fue apareciendo un fenómeno de insatisfacción en los usuarios, un buen programa de dibujo no bastaba, era necesario un sistema que diseñara el producto desde el principio (boceto) hasta el final (pieza terminada), siguiendo unas reglas de diseño.

Para realizar la ingeniería asistida por computador (CAE), se dispone de programas que permiten calcular cómo va a comportarse la pieza en la realidad, en aspectos tan diversos como deformaciones, resistencias, características térmicas, vibraciones, etc.

Usualmente se trabaja con el método de los elementos finitos, siendo necesario mallar la pieza en pequeños elementos y el cálculo que se lleva a término sirve para determinar las interacciones entre estos elementos.

Mediante este método, por ejemplo, se podrá determinar qué grosor de material es necesario para resistir cargas de impacto especificadas en normas, o bien conservando un grosor, analizar el comportamiento de materiales con distinto límite de rotura. Otra aplicación importante de estos sistemas en el diseño de moldes es la simulación del llenado del molde a partir de unas dimensiones de éste dadas, y el análisis del gradiente de temperaturas durante el llenado del mismo.

La realización de todas estas actividades CAE dependerá de las exigencias del diseño, y suponen siempre un valor añadido al diseño al detectar y eliminar problemas que retrasarían el lanzamiento del producto.

En resumen, los sistemas CAE nos proporcionan numerosas ventajas:

- Facilidad, comodidad y mayor sencillez en la etapa de diseño.

- Rapidez, exactitud y uniformidad en la fabricación.

- Alto porcentaje de éxito.

- Eliminación de la necesidad de prototipos.

- Aumento de la productividad.

- Productos más competitivos.

SOFIA YADIRA CORTINAS PADILLA 5º “C”

SISTEMAS CAD/CAE

- Fácil integración, sin problemas adicionales, en una cadena de fabricación.

- Se obtiene un producto económico, de óptima calidad y en el menor tiempo posible.

4. APLICACIONES.

Las principales aplicaciones del CAD/CAM se dan en dos campos de acción: el mecánico y el electrónico, dominando el primero con un 58 % del mercado, mientras que el diseño electrónico alcanza sólo el 19 %, según datos referidos a 1988. Esto es debido a que el nivel tecnológico al que se ha llegado exige un gran conocimiento del mismo a la hora de diseñar programas.

Aparte del diseño mecánico de piezas y/o máquinas donde el peso de la industria del automóvil y bienes de equipo es notable, otros sectores industriales utilizan la tecnología CAD. Se usa para el diseño electrónico de circuitos (CAD 2D), arquitectura e ingeniería civil, ingeniería industrial (edificios y plantas industriales, urbanismo), patronaje en la industria textil (CAD 2D), y muchos otros como artes gráficas y animación.

¿Qué nos permiten hacer?

- Desarrollo de Productos y Empaques.

- Elaboración de prototipos y modelos computacionales fotorrealísticos y funcionales.

- Determinar la viabilidad mecánica de los diseños y/o cumplimiento de norma.

- Ingeniería inversa.(1)

- Reducir el ciclo de desarrollo, mejorar la calidad y las propiedades deseadas.

- Optimizar los diseños desde el punto de vista estructural.

- Análisis utilizando tecnologías de elementos finitos (Esfuerzos, Deformaciones, Pandeo, Dilataciones Térmicas, Transferencia de Calor).

- Simulación cinemática y dinámica de mecanismos.

- Optimizar los moldes y procesos de fundición y/o inyección (Inyectabilidad, Tiempos de inyección, Líneas de Flujo, Flujo vs. tiempo, Temperatura durante el llenado, Trampas de aire, Frente de presión, Análisis de Solidificación, Esfuerzos Residuales).

- Simulación de Fundición e Inyección de Metales (Predicción de Estructuras y Propiedades Metalúrgicas, Tratamiento Térmico).

- Simulación de Inyección de Plástico.

SOFIA YADIRA CORTINAS PADILLA 5º “C”

SISTEMAS CAD/CAE

(1) Ingeniería Inversa: modelización en CAD de un objeto real, a partir de la digitalización por máquina tridimensional de medida. Se trata de tareas en las que otra tecnología, el CAM, tiene también su papel: posteriormente a la modelización CAD del objeto real mediante superficies (alterando el diseño según se desee), se pasa a fabricar con técnicas CAM el molde que permitirá la fabricación a gran escala del objeto. Es frecuente que, previamente a la fabricación del molde y usando también tecnología CAM o de Rapid Prototyping, se produzca directamente el objeto a partir de su modelización CAD, como si se tratara de una impresión 3D.

CNCCONTROL NUMERICO COMPUTARIZADO.

HISTORIA DEL CNC

Su inicio fue en la revolución industrial en 1770 las maquinas eran operadas a mano, al fin se tiende más y más a la automatización ayudo el vapor, electricidad y materiales avanzados.

En 1945 al fin de la 2 guerra mundial se desarrolló la computadora electrónica.

En los 50´s se usó la computadora en una máquina herramienta.

No paso mucho tiempo hasta que la computación fue incorporada masivamente a la producción.

En los 60´s con los chips se reduce el costo de los controladores

Hacia 1942 surgió lo que se podría llamar el primer control numérico verdadero, debido a una necesidad impuesta por la industria aeronáutica para la realización de hélices de helicópteros de diferentes configuraciones.

Desarrollo Histórico del Control Numérico.Los primeros equipos de CN con electrónica de válvulas, reles y cableados,tenían un volumen mayor que las propias máquinas-herramientas, con unaprogramación manual en lenguajes máquina muy complejo y muy lenta de programar.Puede hablarse de cuatro generaciones de máquinas de control numérico deacuerdo con la evolución de la electrónica utilizada.1. Válvulas electrónicas (1950).2. Transistores (1960).3. Circuitos integrados (1965).4. Microprocesadores (1975).A finales de los sesentas nace el control numérico por ordenador. Las

SOFIA YADIRA CORTINAS PADILLA 5º “C”

SISTEMAS CAD/CAE

funciones de control se realizaban mediante programas en la memoria del ordenador de forma que pueden adaptarse fácilmente con solo modificar el programa. En esta época losordenadores eran todavía muy grandes y costosos, la única solución práctica para elCNC era disponer de un ordenador central conectado a varias máquinas-herramientas que desarrollaban a tiempo compartido todas las funciones de control de las mismas.Esta tecnología se conoce con las siglas DNC (Direct Numerical Control – Control Numérico Directo).A principios de los setentas se empezó a aplicar más pequeño y económicoapareciendo así el CNC ( Control Numérico Computarizado ), que permite que un mismo control numérico pueda aplicarse a varios tipos de máquinas distintas sin másque programar las funciones de control para cada máquina en particular.Las tendencias actuales de automatización total y fabricación flexible se basanen máquinas de CNC conectadas a un ordenador central con funciones deprogramación y almacenamiento de programas y transmisión de los mismos a las máquinas para su ejecución.Los esfuerzos para eliminar la intervención humana en los procesos deproducción son una meta gerencial con la introducción de los conceptos de partes intercambiables y producción en masa. El control numérico puede proveer:1. Flexibilidad para incrementar la producción de bajo nivel.2. Instrucciones almacenadas para disminuir la mano de obra directa.La tecnología de control numérico fue la primera aplicación del auxilio demanufactura computarizada (CAM), la aplicación de tecnología de proceso deinformación a la tecnología de automatización industrial. La máquina-herramienta de control numérico original fue desarrollada por contrato de la Fuerza Aérea por elInstituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) en el laboratorio de servomecanismos militar para producir frecuentes y muy complejas partes modificadas en base aemergencias.La primera instalación comercial de equipo de control numérico fue en 1957. Las máquinas originales de control numérico fueron estándar como las fresadoras y taladros.Tecnología de control fue desarrollada en paralelo con computadoras digitales,desde tubos de vacío pasando por transistores y circuitos integrados para los más capaces y confiables minicomputadoras, mini procesadores, basados en control de unidades los cuales son referidos como computadora de control numérico (CNC). Elcontrol con alambrado fué menos flexible en su habilidad para leer y responder.En los CNC el alambrado lógico es reemplazado por software ejecutados, el da

SOFIA YADIRA CORTINAS PADILLA 5º “C”

SISTEMAS CAD/CAE

al controlador su identidad. En adición provee parte del almacén del programa, ahora muchos controladores aceptan operaciones de cómputo lógico tales como variables, ramales, y subrutinas en la parte de instrucción del programa. El programa de la partey nuestro programador es de la nueva creación de trabajadores de información en la nueva revolución industrial de la información. Como desarrollo del progreso de la tecnología de maquinado y control, se reconoció una necesidad para un método deprogramación para manipular y traducir información de tecnología y manufactura para crear un medio de control para partes complicadas de 3 dimensiones. La Fuerza Aéreainició este proyecto (MIT), el resultado fue el sistema de asistencia por computadora llamado APT para herramientas programables completamente automáticas.Mientras más intervención humana fue quitada del equipo de operación,controles humanos, la accesibilidad del operador al proceso se ha minimizado. Estos procesos son tales como corte con alambre eléctrico, corte con láser y maquinado a alta velocidad que pueden ser imposibles sin el control numérico.Evolución del control computarizado en manufacturaSiglo XIV.- Se usó el primer aditamento con información secuenciada en los cilindros con pernos en los relojes de las iglesias.1808.- Joseph M. Jacqaurd usó una hoja de metas perforadas para controlar agujas en las tejedoras.1863.- M. Fourneaux patentó el primer piano automático, usando el principio de pasar aire a través de un rollo de papel perforado; llamándola pianola.1842.- Pascal construyó una calculadora mecánica.1834.- Babbage construyó una calculadora capaz de dar seis decimales.1940.- Aiken en E.U.A. y Zuse en Alemania usando relevadores construyeron la primera máquina electrónica computable.1943.- Mauchly and Eckert construyeron la primera computadora electrónica ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), contenía 18000 bulbos, 500,000 conexiones soldadas amano,pesaba 30 toneladas, ocupaba 160 mts , su carga electrónica era de 174 kw.1948.- Se desarrolló el transistor.1959.- Se empezaron a construir circuitos integrados.1960.- Se empezaron a construir computadoras en forma comercial.1965.- Se construyeron circuitos integrados en gran escala.1979.- Microprocesadores.1980.- Componentes de superficie.Máquinas de control numérico.El principal objetivo en el desarrollo de las máquinas de control numérico fué laprecisión. Para 1949 la idea ya tenía 500 años en la mente del hombre.1952.- John C. Parsons y el Instituto Tecnológico de Masachussetts desarrollaron la

SOFIA YADIRA CORTINAS PADILLA 5º “C”

SISTEMAS CAD/CAE

primera máquina fresadora de control numérico, construida con bulbos, usando un código binario y cinta perforadora.1954.- Se desarrolló un lenguaje simbólico llamado APT Automatically Programmed Tool, Programación automática de la herramienta.1957.- La Bendix comenzó a construir máquinas en forma comercial, usadasprimeramente por la fuerza aérea de E:U.1971.- Hasta este año la AIA (Aerospace Industry Association) el MIT y el ITRI(Illinois of Technology Research Institute) trabajaron en el desarrollo del lenguaje APT.El lenguaje APT inicial era suficiente para operaciones de taladrado, torneado ofresado recto, sin embargo estas no son suficientes para las operaciones demaquinado.Cuando en 1976 se aplicó el microprocesador a las computadoras, se dio unenorme salto en el desarrollo del CNC, haciéndose posible las interpolaciones rectas y curvas entre ejes.1982.- Se desarrollaron los primeros sistemas flexibles de manufactura FMS1986.- Se desarrollaron los primeros sistemas de manufactura integrada.

SOFIA YADIRA CORTINAS PADILLA 5º “C”