Diseo Asistido por Ordenador

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TEMA 1. Introduccin

El trmino diseo procede del vocablo italiano 'disegno'. En nuestrocontexto se utiliza para caracterizar 'la representacin grfica, de acuerdo con unaidea creativa previa, de un objeto artstico o funcional, de un dispositivomecnico, o de la estructura o funcionamiento de un sistema o proceso'.

En este tema veremos el proceso de diseo y como los sistemasinformticos pueden incidir en este proceso. Se plantear la estructura general deuna aplicacin CAD, destacando el papel del modelo geomtrico.

Diseo asistido por ordenador4 Curso Ingeniera Informtica

J.C. TorresDpt. Lenguajes y Sistemas Informticos

ETS. Ingeniera InformticaUniversidad de Granada

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1.1 Proceso de diseo

Tradicionalmente el proceso de diseo sigue los siguientes pasos [Mass87] (ver figura 1):

Definicin. Consiste en especificar las propiedades y cualidades relevantes del sistema adisear.

Concepcin de un modelo. Es el ncleo del proceso de diseo. El ingeniero concibe unmodelo de sistema que satisface las especificaciones. El modelo deber documentarse.

Dibujo de detalle. La mayor parte de las cosas que se fabrican tienen algn tipo derepresentacin grfica natural, que se utiliza como descripcin 'formal' del elemento aconstruir1. Por ese motivo, antes de pasar al proceso de construccin se deben generargran cantidad de 'planos' (o descripciones grficas en general). El conjunto dedocumentos generados debe ser suficiente para describir el modelo, con el suficientedetalle como para permitir la fabricacin de prototipos, con los que validar el diseo. Estepaso puede requerir hasta un 50% del esfuerzo de diseo.

Construccin de prototipos. Para elementos que se van a someter a un proceso defabricacin en cadena, es normal fabricar previamente prototipos, fuera de la cadena demontaje. Los prototipos se fabrican con el propsito de detectar posibles errores en elmodelo o la especificacin, y en caso contrario, servir de validacin del modelo. Losprototipos no tienen que ser necesariamente un ejemplar completo del elemento afabricar, pudiendo utilizarse para validar tan solo determinadas propiedades.

A veces se utilizan prototipos con elementos que no se fabrican en serie, como eningeniera civil o arquitectura. En esta situacin cabe destacar las maquetas para estudiosde resistencia de materiales, o comportamiento aerodinmico, y las maquetas dearquitectura.

Realizacin de ensayos. Tras la realizacin de ensayos sobre el prototipo se puedendescubrir deficiencias en el modelo o en la propia definicin del sistema, lo que obligar avolver atrs en el proceso, revisando el diseo. Debe observarse que el dibujo de detalleest, en principio, dentro de este ciclo de revisin.

Documentacin. Una vez validado el diseo se pasa a documentarlo. La documentacindebe contener la informacin suficiente como para poder abordar la construccin delsistema. La documentacin puede estar formada por informacin muy diversa:descripcin del sistema y de sus componentes, esquemas de montaje, lista decomponentes, etc.

El proceso de diseo sigue un esquema iterativo, en el que el diseador trata de encontrarun diseo que satisfaga unos determinados requerimientos, explorando posibilidades, siguiendoun ciclo de propuesta - valoracin.

1.2 - Concepto de sistema CAD

1 Paradojicamente una excepcin a esta normal es el software.

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En un sentido amplio, podemos entender elDiseo Asistido por Computador (CAD) como la"aplicacin de la informtica al proceso de diseo"[Salm87]. Puntualizando la definicin, entenderemospor Sistema CAD, un sistema informtico queautomatiza el proceso de diseo de algn tipo deente, para descartar, como sistemas CAD lasaplicaciones que incidan tan solo en algn aspectoconcreto del proceso de diseo.

Los medios informticos se pueden usar en lamayor parte de las tareas del proceso, siendo eldibujo el punto en el que ms profusamente se hautilizado. Una herramienta CAD es un sistemasoftware que aborda la automatizacin global delproceso de diseo de un determinado tipo de ente.

El xito en la utilizacin de sistemas CADradica en la reduccin de tiempo invertido en losciclos de exploracin. Fundamentalmente por el usode sistemas grficos interactivos, que permitenrealizar las modificaciones en el modelo y observarinmediatamente los cambios producidos en el diseo.

El desarrollo de un sistema CAD se basa enla representacin computacional del modelo. Estopermite realizar automticamente el dibujo de detalley la documentacin del diseo, y posibilita lautilizacin de mtodos numricos para realizarsimulaciones sobre el modelo, como una alternativa ala construccin de prototipos.

El ciclo de diseo utilizando un sistema CAD se ve afectado, tan solo, por la inclusin deuna etapa de simulacin entre la creacin del modelo y la generacin de bocetos. Esta simplemodificacin supone un ahorro importante en la duracin del proceso de diseo, ya que permiteadelantar el momento en que se detectan algunos errores de diseo.

La figura 2 muestra el ciclo de diseo utilizando una herramienta CAD. Tan solo lasetapas de definicin y ensayo con prototipos quedan fuera del mbito del sistema CAD. El restode las tareas se realizan utilizando el sistema CAD. La importancia de la realizacin de ensayoscon prototipos depender de la naturaleza del ente a disear, y de la posibilidad de sustituirlospor simulaciones numricas. Cuando no hay un proceso de fabricacin en serie la construccin deprototipos no suele realizarse.

Otro aspecto importante de la automatizacin del diseo es la posibilidad de utiliza lainformacin del modelo como base para un proceso de fabricacin asistida por ordenador (CAM).

Requerimientos

Definicin

Creacin delmodelo

Dibujo de detalle

Construccin deprototipos

Ensayos

Documentacin

Fabricacin

Figura 1. Proceso clsico de diseo.

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Los sistemasCAM se utilizan paraautomatizar el procesode fabricacin,incluyendo laplanificacin y controldel proceso, as comodel control de

maquinasherramientas. El usode sistemas CAM estms extendido enprocesos defabricacin en cadena,en los que se realizangran nmero de tareasmecnicas susceptiblesde ser automatizadas.El sistema CAM debedisearse para haceruso de la base de datosdel diseo.

1.3 - Estructura de un sistema CAD

El diseo es un proceso iterativo de definicin de un ente, por tanto, el desarrollo de unsistema CAD se debe basar en el establecimiento de un ciclo de edicin soportado por tcnicas derepresentacin del modelo, de edicin y de visualizacin. A un nivel ms concreto, un sistemaCAD debe realizar las siguientes funciones [Brun86,pp.55]:

- Definicin interactiva del objeto. - Visualizacin mltiple. - Calculo de propiedades, simulacin. - Modificacin del modelo. - Generacin de planos y documentacin. - Conexin con CAM.

Es difcil establecer un modelo universal de sistema de diseo. No obstante, a nivelgeneral, y en base a las funciones a desempear, se puede establecer que todos los sistemas dediseo poseen al menos los siguientes componentes:

Dibujo de detalle

Construccin deprototipos

Ensayos

Documentacin

Requerimientos

Definicin

Creacin delmodelo

Fabricacin

Simulacin

Figura 2 Proceso de diseo usando una herramienta CAD. La zona sombreadamuestra el mbito del sistema CAD.

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Modelo. Es la representacin computacional del ente que se est diseando. Debecontener toda la informacin necesaria para describir el ente, tanto a nivel geomtricocomo de caractersticas. Es el elemento central del sistema, el resto de los componentestrabajan sobre l. Por tanto determinar las propiedades y limitaciones del sistema CAD.

Subsistema de edicin. Permite la creacin y edicin del modelo, bien a nivel geomtricoo bien especificando propiedades abstractas del sistema. En cualquier caso la edicin debeser interactiva, para facilitar la exploracin de posibilidades. Subsistema de visualizacin. Se encarga de generar imgenes del modelo. Normalmenteinteresa pode realizar distintas representaciones del modelo, bien por que exista ms deun modo de representar grficamente el ente que se est diseando, o bien para permitirvisualizaciones rpidas durante la edicin, junto con imgenes ms elaboradas paraevaluar el diseo.

Subsistema de clculo. Permite el clculo de propiedades del modelo y la realizacin desimulaciones

Subsistema de documentacin. Se encarga de la generacin de la documentacin delmodelo.

Indudablemente, tanto las tcnicas de representacin y edicin del modelo, como lavisualizacin, el calculo o la documentacin, dependen del tipo de ente a modelar. No es puesposible construir sistemas CAD universales.

En el ciclo de diseo con un sistema CAD, se puede ver como una sucesin demodificacin-visualizacin del modelo.

Una sesin de trabajo con un sistema CAD puede interpretarse como la creacin de un'programa', el modelo, que se especifica interactivamente con una secuencia de ordenes deedicin.

ModeloGeomtrico

Entrada / Edicin Documentacin

Clculo /Simulacin

Visualizacin

Figura 3. Esquema general de un sistema CAD

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1.4 - Campos de aplicacin

Hay un gran nmero de aplicaciones que de uno u otro modo automatizan parte de un procesode diseo. Actualmente, para casi cualquier proceso de fabricacin o elaboracin se dispone deherramientas informticas que soportan este proceso. No obstante, los tres campos clsicos deaplicacin son la ingeniera civil, el diseo industrial y el diseo de hardware.

Es posible encontrar en el mercado aplicaciones especficas para un campo concreto junto conaplicaciones de tipo general, que bsicamente son editores de un modelo geomtrico, sobre lasque se pueden acoplar mdulos de simulacin o clculo especficos para un campo concreto. Esteltimo es el caso de AUTOCAD, 3D-Studio y MICROSTATION.

El diseo industrial es el campo tpico de aplicacin, y en el que se comercializan msaplicaciones. Se utilizan modelos tridimensionales, con los que se realizan clculos y simulacionesmecnicas. La naturaleza de las simulaciones depende del tipo de elemento a disear. En el diseode vehculos es normal simular el comportamiento aerodinmico; en el diseo de piezasmecnicas se puede estudiar su flexin, o la colisin entre dos partes mviles. Entre lasaplicaciones comerciales de tipo general cabe destacar CATIA (IBM), I-DEAS (SDRC) yPRO/ENGINEER (PTC).

En diseo de hardware podemos encontrar desde aplicaciones para el diseo de placas decircuitos impresos hasta aplicaciones para el diseo de circuitos, incluyendo circuitos integrados.En este ltimo campo es fundamental la realizacin de simulaciones del comportamiento elctricodel circuito que se est diseando. Muchas de estas aplicaciones son 2D, e incluyen conexin conun sistema CAM.

En ingeniera civil podemos encontrar aplicaciones 2D, especialmente en arquitectura, yaplicaciones 3D. Las simulaciones realizadas suelen estar relacionadas con el estudio de laresistencia y la carga del elemento.

1.5 - Fundamentos

Son varias las disciplinas que sirven de sustento al diseo asistido por ordenador, entreellas destacamos las siguientes:

Modelado geomtrico. Se ocupa del estudio de los mtodos de representacin de entes concontenido geomtrico. Para sistemas 2D en los que la representacin grfica seanesquemas se suele utilizar modelos basados en instanciacin de smbolos. Para modelarobjetos de los que solo interese el contorno, (perfiles, trayectorias, zapatos, carroceras,fuselajes, etc.) se suelen usar mtodos de diseo de curvas y superficies. Para objetosslidos (piezas mecnicas, envases, moldes, ingeniera civil, etc.).

Tcnicas de visualizacin. Son esenciales para la generacin de imgenes del modelo. Losalgoritmos usados dependern del tipo de modelo, pudiendo variar desde simplestcnicas de dibujo 2D, para el esquema de un circuito, hasta la visualizacin realistausando trazado de rayos o radiosidad, para el estudio de la iluminacin de un edificio ouna calzada. Adems, se suelen usar tcnicas especficas para la generacin de ladocumentacin (generacin de curvas de nivel, secciones, representacin de funcionessobre slidos o superficies).

Tcnicas de interaccin grfica. Son el soporte de la entrada de informacin geomtrica delsistema de Diseo. Entre estas, las tcnicas de posicionamiento y seleccin poseen una

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especial relevancia. Las tcnicas de posicionamiento se utilizan para la introduccin deposiciones 2D o 3D. Las tcnicas de seleccin permiten la identificacin interactiva de uncomponente del modelo, son por tanto esenciales para la edicin.

Diseo de la interfaz de usuario. Uno de los aspectos ms importante del diseo de unaherramienta CAD es la creacin de una buena interfaz de usuario.

Bases de datos. El soporte para almacenar la informacin del modelo, cuando se diseenobjetos de un cierto tamao, sea una base de datos. El diseo de bases de datos parasistemas CAD plantea una serie de problemas especficos, por la naturaleza de lainformacin y por las necesidades de cambio de la estructura con la propia dinmica delsistema.

Mtodos numricos. Son la base de los mtodos de clculo y simulacin.

1.6 - Evolucin

El trmino Diseo asistido por ordenador fue acuado por Douglas Ross y DwightBaumann en 1959, y aparece por primera vez en 1960, en un anteproyecto del MIT, titulado'Computer-Aided Design Project' [Ross93]. En aquella poca ya se haba comenzado a trabajar enla utilizacin de sistemas informticos en el diseo, fundamentalmente de curvas y superficies.Estos trabajos se desarrollaron en la industria automovilstica, naval y aeronutica. Un problemacrucial para esta industria era el diseo de superficies, que se resolva, siempre que era factibleinstanciando curvas y superficies conocidas y fcilmente representables (crculos, rectas, cilindros,conos, etc.). Las partes que no podan ser diseadas de este modo, como cascos de buques, fuselajey alas de aviones o carroceras de coches, seguan procesos ms sofisticados.

El primer trabajo publicado relacionado con la utilizacin de representacionesparamtricas para curvas y superficies fue escrito por J. Fergusson en 1964 [Bzi93], quien exponala utilizacin de curvas cbicas y trozos bicbicos. Su mtodo se estaba usando en el diseo dealas y fuselajes en Boeing.

Previamente Paul de Castelju desarrollo, en torno a 1958, un mtodo recursivo para eldiseo de curvas y superficies basado en el uso de polinomios de Bernstein, en Citron. Sustrabajos, no obstante no fueron publicados hasta 1974. Paralelamente, y de forma independientePierre Bzier, trabajando para Renault desarrollo la forma explcita del mismo mtodo de diseo,que hoy se conoce como mtodo de Bzier.

Uno de los hitos en el desarrollo del CAD fueron los trabajos de Ivan Sutherland quienrealiz su tesis doctoral sobre desarrollo un sistema de diseo en el MIT en 1963 [Mann93]. Elsistema permita la definicin y edicin interactiva de elementos geomtricos, que podan seralmacenados de forma concisa.

Por la misma fecha, y tambin en el MIT Steve Coons comenz a desarrollar tcnicas dediseo de superficies basadas en la descomposicin en trozos [Barn93], que fueron aplicados aldiseo de cascos de buques en 1964.

El modelado de slidos tuvo un desarrollo ms tardo. Tal vez, los primeros antecedentessean los trabajos desarrollados por Coons en el MIT entre 1960 y 1965, que se centraron en laaplicacin de mtodos numricos a slidos creados por barrido.

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Los primeros trabajos relacionados con el modelo de fronteras se desarrollaron en laUniversidad de Cambridge (UK), a finales de la dcada de los sesenta. No obstante, el desarrollodel modelado de slidos como disciplina, se debe en gran parte a los trabajos de AristidesRequicha y Herbert Voelcker en la Universidad de Rochester durante la dcada siguiente.

En 1974 Baumgart propuso la representacin mediante aristas aladas (windged-edges)para B-rep, y propuso la utilizacin de operadores de Euler para editar la representacin.

A finales de la dcada de los sesenta y principios de los setenta, se comenzaron adesarrollar modeladores de slidos. Entre ellos cabe destacar EUCLID, desarrollado por J.M. Brunen Francia, PADL-1 de la Universidad de Rochester, Shapes del MIT, TIPS-1 desarrollado porOkino.

1.7 Bibliografa

Los contenidos de este tema son lo suficientemente generales como para que seancubiertos por cualquier texto de CAD o Informtica Grfica, sin embargo, la confusin respecto alos trminos y conceptos es muy grande. Entre los textos de CAD a un nivel general se puedeconsultar el texto de Massip, que aunque es un libro de divulgacin sobre diseo industrial haceun planteamiento, a nuestro juicio, correcto y simple del proceso de diseo y del papel delordenador en el diseo [Mass87].

El texto de Salmon hace una buena definicin del CAD, clarificando perfectamente lasdiferencias con el dibujo asistido por ordenador [Salm87]. La visin de la estructura del sistemaCAD se toma del captulo de modelado geomtrico del libro Mompin, en el que se presenta unesquema simple de funcionamiento [Brun8A]. El libro de Mompin es una monografa sobre CAD,compuesta por una serie de captulos ms o menos independientes, una buena parte de ellos sededican a comentar aplicaciones concretas, entre las que cabe destacar: Circuitos impresos,Circuitos integrados, Circuitos electrnicos, Aeronutica, Automviles, Industria pesada , Diseoindustrial, Ingeniera civil, Diseo arquitectnico e Industria textil.

El libro de Medland aborda el estudio del diseo y del CAD desde un punto de vistaterico.

Referencias

Brun86 Brunet P.: "Diseo grfico y modelado geomtrico". Mompn J. (Ed.): "SistemasCAD/CAM/CAE. Diseo y fabricacin por ordenador". Marcombo 1986.

Fole90 Foley J.D.; van Dam A.; Feiner S.K.; Hughes J.F.: "Computer Graphics. Theory andPractice". Addison-Wesley 1990.

Mass87 Massip R.F.: "Diseo industrial por computador". Marcombo 1987.

Salm87 Salmon R.; Slater M.: "Computer Graphics: Systems and Concepts". Addison-Wesley 1987

Ejercicios

1.Enumerar ventajas de la utilizacin de un sistema CAD frente al diseo convencional enlos siguientes campos: diseo de carroceras de coches, diseo de circuitos electrnicos,diseo de edificios, diseo de alumbrado pblico, diseo grfico.

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2.Describir, para cada una de las aplicaciones anteriores, los prototipos que se podranutilizar y los ensayos que se pueden realizar con ellos. Cuales se podran sustituir porun proceso de simulacin una vez automatizado el diseo?.

3.Justificar la necesidad de que la definicin del modelo geomtrico sea interactiva.4.Proponer una representacin interna para cada uno de los modelos geomtricos de los

sistemas CAD del ejercicio 1.5.Que tipo de propiedades se podran obtener de los modelos anteriores?.