Unidad 1. Aplicaciones CAD/ CAM 1. Aplicaciones CAD/ CAM/ CAE Conceptos Fundamentales CAD: Acrónimo de Computer Aided Design), comprende los sistemas INTRODUCCIÓN 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 engorrosos 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 softwares y demás paquetes informáticos necesarios para tal fin. Producir es un proceso de transformación por el que los materiales brutos se convierten en productos acabados para percibir un valor en el mercado, empleando para ello una combinación de mano de obra, maquinarias, informáticos (software) para el diseño asistido por computadora cuya codificación permite generar modelos en ambiente 2D y 3D con muchas, si no todas, de las características de un determinado producto, a fin de obtener una representación de gran precisión del objeto deseado. Básicamente el principio de operación de los sistemas CAD consiste en la interacción del usuario (diseñador) con el software en un lenguaje informático a través de los dispositivos periféricos de entrada, procesamiento y salida de datos (hardware), provistos por el ordenador. En síntesis, se implica la integración de métodos computacionales y de ingeniería en un sistema basado en un ordenador. Esto requiere una base de datos, algoritmos de representación, subsistemas de comunicación para entrada y salida de datos, entre otros. A su vez, el CAD puede combinarse a otras tecnologías (CAM, CAE) para permitir el desarrollo integral de un proyecto desde su fase de diseño hasta su producción en línea, con lo que se consigue un importante ahorro de tiempo, mínima intervención humana y mayor precisión de diseño. herramientas especiales y energía. Ingeniería Asistida por Computador / Ing. Mariangely Talavera 1 Unidad 1. Aplicaciones CAD/ CAM CAM: resolución de problemas de ingeniería para una amplia gama de Las siglas CAM corresponden al acrónimo de Computer Aided industrias. Esto incluye el diseño, simulación, validación y Manufacturing (Fabricación Asistida por Ordenador). Por CAM se optimización entiende la utilización de ordenadores para tareas técnicas de manufactura. de productos, procesos y herramientas de elaboración de planos de mecanizado de piezas o cuerpos sólidos, Un proceso típico de CAE incluyen pasos de pre-procesado, incluyendo programación por Control Numérico (CN) para su solución y post- procesado. En la fase inicial, los ingenieros posterior proceso de fabricación o montaje. modelan la geometría y las propiedades físicas del diseño, así El principal objetivo del CAM es pues, proveer información e como el ambiente en forma de cargas y restricciones aplicadas. En instrucciones para la automatización de máquinas en la creación de la fase de post- procesado, los resultados se presentan al ingeniero partes, ensambles y circuitos; utilizando como punto de partida la para su revisión. La finalidad del CAE es ayudar al ingeniero de información de la geometría creada por el CAD. En el terreno diseño en todas las etapas del desarrollo del producto, englobando industrial la combinación de los sistemas CAD/CAM se refiere a la los conceptos CAD/ CAM/ CAE. generación automática de código CNC. Las aplicaciones CAE soportan una gran variedad de disciplinas En tal sentido, los sistemas CAD/CAM han permitido grandes logros en la manufactura de piezas maquinadas tanto por su y fenómenos de la ingeniería, incluyendo: - aplicación en componentes de geometrías complejas como en la disminución dramática del tiempo de generación de los programas Análisis de estrés y dinámica de componentes y ensambles utilizando el análisis de elementos finitos (FEA). - de CNC. Análisis Termal y de fluidos utilizando dinámica de fluidos computacional (CFD). - Análisis de Cinemática y de dinámica de mecanismos - Simulación mecánica de eventos - Análisis de control de sistemas al uso de - Simulación de procesos de manufactura software computacional para simular desempeño y así poder - Optimización del proceso del producto. CAE: Ingeniería Asistida por Computadora (de sus siglas en ingles CAE, Computer Aided Engineering), corresponde realizar mejoras a los diseños de producto o bien apoyar a la Ingeniería Asistida por Computador / Ing. Mariangely Talavera 2 Unidad 1. Aplicaciones CAD/ CAM Beneficios de CAE Los beneficios aportados por software de tipo CAE se refieren asistido por computadora computadora (CAM), (CAD), diseño y Manufactura manufactura asistida por asistida por a reducción del tiempo y costo de desarrollo de productos, con computadora (CAD/ CAM), Ingeniería asistida por computadora mayor calidad y durabilidad del mismo. (CAE), entre otros. CIM se estructura sobre los cimientos de estas tecnologías, como se ilustra en el esquema funcional de la figura 1. CIM: Manufactura Integrada por Computadora (Computer Integrated Manufacturing), es un método de manufactura en el cual el proceso entero de producción es controlado por una computadora. Típicamente, depende de procesos de control de lazo cerrado, basados en entradas en tiempo real desde sensores. CIM es una filosofía y estrategia de producción, caracterizada por integrar toda la información de las distintas áreas de una empresa a través de sistemas informáticos y la utilización de equipos electrónicos para el control, supervisión y gestión de los procesos. En síntesis, CIM incluye todas las actividades que se realizan para la fabricación de un producto, desde la percepción de la necesidad, la concepción, el diseño y su desarrollo, pasando por Figura 1. Esquema funcional del sistema CIM. su producción, marketing y soporte del producto en uso, bajo los lineamientos de la Automatización para gobernar el proceso industrial de forma óptima. Antes que apareciera el término CIM, en las fábricas se manejaban otros como Control Numérico (NC), Control Numérico A pesar de que CIM implica integrar todos los pasos de un proceso de manufactura, en la práctica muchas compañías han logrado grandes beneficios al implementar sistemas CIM parciales, es decir, en solo algunas áreas de la empresa. Computarizado (CNC), Control numérico distribuido (DNC), diseño Ingeniería Asistida por Computador / Ing. Mariangely Talavera 3 Unidad 1. Aplicaciones CAD/ CAM programadas las piezas a fabricar y si existe la posibilidad de reprogramarla antes de poner la maquina en marcha. La tecnología CNC se emplea cuando: La frecuencia de producción de un mismo artículo es muy alta El grado de complejidad de los artículos procesados es elevado CAM Se tienen altos volúmenes de producción Se realizan cambios en un artículo a fin de dale actualidad o brindar una variedad de modelos La fusión de tecnología CAD/ CNC permite la fabricación de CAE Es necesario un alto grado de precisión, entre otros. piezas diseñadas en softwares de diseño para su posterior Particularidades de los sistemas A continuación se resumen algunas de las propiedades que caracterizan y diferencian a los sistemas entre ellos. Ingeniería Asistida por Computador / Ing. Mariangely Talavera CAD mecanizado en las máquinas herramientas correspondientes. Permite la reducción de personal operador Su función básica es controlar la operación de una máquina herramienta Los costos de adquisición y mantenimiento son elevados El tiempo de producción es más reducido. están Se asocia a la tecnología CAD para la manufactura asistida. que Facilitan la integración en una cadena de fabricación con Requiere de destreza del usuario para generar el diseño con precisión precisión La calidad del producto se incrementa hasta 5 veces más la Genera el código para la máquina de CNC analizar Permite detectar errores en el diseño para su corrección en CAD. puede CIM computadora Minimiza el tiempo de diseño. obedecer las instrucciones de un programa dado. Además, la Los costos de implantación de los subsistemas son elevados de un computador y la maquina está diseñada con la finalidad de Proporciona las herramientas para completar la geometría del producto para su fabricación herramientas. Normalmente este tipo de control se ejerce a través Prueba, simula y certifica diseños de productos 3D antes de fabricarlos maquinas Permite el mejoramiento continuo del proceso de diseño del producto. generalmente Incluye todas las fases que rigen la realización de un producto desde su concepción máquinas, Implica el uso de computadoras para ayudar en las fases de manufactura del producto. de Abarca los sistemas de diseño, simulación, y procesado de producto. numérico Implica el uso de un software interactivo para el diseño del producto. control CNC Acrónimo de Control Numérico Computarizado, se refiere al Su programación es ardua y muy dada a errores. CNC: 4 Unidad 1. Aplicaciones CAD/ CAM De lo anterior se desprende que los sistemas mencionados (Computer Aided Process Planning), o planificación de procesos guardan una estrecha relación en cuanto a su integración para los asistida por computador, es un sistema experto que captura las procesos productivos donde se apliquen, no obstante, no deben capacidades de un ambiente manufacturero especifico y principios malinterpretarse como un sistema global, a pesar de que como se manufactureros ingenieriles, con el fin de crear un plan para la indicó en apartados anteriores la tecnología CAE y CIM pueden manufactura física de una pieza previamente diseñada. Este plan abarcar muchos o incluso la totalidad de los sistemas en un especifica la maquinaria que se ocupara en la producción de la proceso automatizado, pero en la mayoría de los casos es común pieza, la secuencia de operaciones a realizar, las herramientas una integración parcial de las tecnologías citadas, ello debido a los utilizar, entre otros aspectos de interés. altos costos implícitos en su adquisición. En la actualidad ha tomado cada vez mayor auge la combinación de las tecnologías CAD/ CAM y CAD/CAM/CIM en los ciclos productivos de las empresas, es por tanto que se desglosarán los aspectos relacionados a dichos sistemas, sin restar importancia a las otras tecnologías. Tecnología CAD/CAM/CAE Cuando CAD y CAM son combinados en un paquete informático integrado, se alude a ellos con el acrónimo CAD/CAM. Este sistema integrado permite la consecución de un vínculo entre las computadoras, posibilita que todas las funciones a desempeñar estén alimentadas por una base de datos común que contiene Sistema CIM planos, listas de materiales, hojas de ruta y algún otro dato CIM incluye todas las actividades desde la percepción de la necesario. El rendimiento de la fabricación puede ser mejorado si, necesidad de un producto, su concepción, diseño y desarrollo; así al diseñar un determinado artículo, se tienen en cuenta al mismo como también la producción, marketing y soporte del mismo. tiempo las características del proceso de producción o sus fases, El diseño del producto puede realizarse en el computador con las capacidades de las máquinas, los cambios de herramientas, las diversos sistemas, como son el CAD, CAE y el CAPP. El CAE necesidades de ajustes de soporte, el montaje, etc. como se indico en apartados anteriores es la tecnología que analiza Las tecnologías de fabricación estudian los procesos de un diseño y simula su operación para determinar su apego a las conformado que sufre un material, desde que ha sido elaborado en condiciones de diseño y sus capacidades. Por su parte, el CAPP bruto hasta que sale transformado en un producto acabado. Tal es Ingeniería Asistida por Computador / Ing. Mariangely Talavera 5 Unidad 1. Aplicaciones CAD/ CAM el caso del sistema CIM, cuyas fases de estructuración se resumen - Obra civil en la figura 2. - Presentaciones realistas de productos, entre otros. Las herramientas CAD se adaptan a las distintas necesidades. CIM Etapas de los sistemas CAD/ CAM Fabricación Diseño CAD Control y Calidad CAD (Drawing) Robótica Metrología CAM Normalización Visión Artificial Automatización CNC Máq. Herramienta CAM (Manufacturing) Diseñar Generación de programas de CNC Modificar Transferir programas de CN Acotar Simulación de trayectorias de corte Rotular Selección de herramientas De manera general, se puede decir que los sistemas CAD/ CAM ayudan al programador en tres áreas principales: Aplicaciones fundamentales de los sistemas CAD - Evita realizar cálculos matemáticos manualmente - Permite programar automáticamente diferentes tipos de Los campos de aplicación de la tecnología CAD es cada vez más expansivo, pues en todo proceso productivo se parte de la etapa de máquinas usando el mismo lenguaje básico - Ayuda con ciertas funciones básicas de maquinado diseño, es allí donde intervienen los softwares interactivos conocidos dentro de la categoría CAD. Unas áreas donde interviene el sistema son: - Diseño mecánico - Arquitectura - Topografía Ingeniería Asistida por Computador / Ing. Mariangely Talavera Programación en CAD/ CAM Los sistemas CAM o CAD/ CAM pueden variar drásticamente de uno a otro en cuanto a su operación, sin embargo existen practicas 6 Unidad 1. Aplicaciones CAD/ CAM muy similares que deben cumplirse independientemente del Más explícitamente, en los sistemas CAD/ CAM el flujo de datos se software que se esté utilizando. Estos pasos son: desarrolla de la siguiente manera: - El programa debe dar información general al sistema - Se debe definir la geometría de la pieza de trabajo - Se deben definir las operaciones de maquinado Flujo de información en sistema CAD/ CAM Figura 3. Proceso CAD/ CAM Ingeniería Asistida por Computador / Ing. Mariangely Talavera Figura 4. Flujo de datos en sistema CAD/ CAM 7 Unidad 1. Aplicaciones CAD/ CAM Procesadores - Desarrollado por Computevision cálculos - Posee un programa propio de CAD trigonométricos, elaboran las instrucciones de desplazamiento de - Permite elegir entre distintos métodos de mecanizado todos los ejes, calculan velocidades de corte y del husillo, y genera - Biblioteca de herramientas todas las ordenes de accionamiento para el cambio de herramienta, - Genera trayectorias en función de los parámetros de corte cambio de piezas, refrigerante y muchas más. Pero estos datos no especificados. Los programas de CAD/ CAM realizan sirven por si solos para su introducción a una máquina de CNC, sino que deben ser preparados con la sintaxis de una maquina en particular a través de un programa denominado Postprocesador. El postprocesador permite que un programa pueda ser corrido en una máquina- herramienta determinada de CNC. Puede existir un postprocesador para cada marca y modelo de control CNC, así el programa puede ser manejado por cualquier control CNC. CATIA - Programa CAD con utilidades CAM - Es capaz de generar trayectorias completas NC Programmer - Basado en AutoCAD - El usuario debe marcar los puntos iniciales y finales de las trayectorias sobre el dibujo CAD. Softwares comerciales de tecnología CAD/ CAM Los siguientes son algunos de los softwares de mayor uso en la AUTOSPOT (Automatic System for Positioning Tools) industria para sistemas CAD/ CAM: - Creado por IBM AutoCAD - Restringido a dos dimensiones: - Desarrollado por Autodesk La herramienta se posiciona en X, Y - Permite el modelado en 2D y 3D bajo diversos estilos A continuación se hace el mecanizado. visuales. - Brinda gran precisión de diseño. Sistema CAE Ya sea hecho referencia en repetidas oportunidades acerca de lo NC Vision Ingeniería Asistida por Computador / Ing. Mariangely Talavera que CAE significa y su función dentro del sistema CIM, a 8 Unidad 1. Aplicaciones CAD/ CAM continuación se detalla los alcances posibles mediante esta tecnología, considerando los posibles puntos de partida para la misma. Datos de partida Análisis realizables El espacio coordenado Todo cuerpo que se requiera representar en un sistema CAD o CAE debe cumplir entre tantas reglas con un principio básico que • Geometría de la pieza o del conjunto • Materiales empleados rige todos los lenguajes programáticos: las referencias. Tales • Comportamiento frente a cargas mecánicas fijas - Aplicación de cualquier tipo de carga puntual o distribuida. - Obtención de tensiones en los distintos puntos de la pieza. - Obtención de deformaciones de la pieza. • Comportamiento frente a vibraciones - Respuesta en frecuencia - Respuesta a choques - Respuesta frente a solicitaciones aleatorias • Comportamiento frente a cargas térmicas - Distribución de temperaturas - Transferencias térmicas • Análisis cinemático para mecanismos - Permite simular comportamientos y detectar posibles colisiones • Análisis dinámico. su trayectoria en el espacio, lo cual se conoce como coordenadas. Ingeniería Asistida por Computador / Ing. Mariangely Talavera referencias no son más que la descripción de ubicación o movimiento del cuerpo mediante la identificación de cada punto de En tal sentido, un sistema de coordenadas es un conjunto de valores y puntos que permiten definir unívocamente la posición de cualquier punto de un espacio euclídeo. El primero que expresó la posición de un punto en el plano o en el espacio fue Descartes, por lo que se suele referir a ellas como coordenadas cartesianas. Un sistema de coordenadas cartesianas se define por dos ejes ortogonales en un sistema bidimensional (X, Y), y tres ejes ortogonales en un sistema tridimensional (X, Y, Z), que se cortan en el origen 0. Las coordenadas en un punto cualquiera vendrán dadas por las proyecciones del vector de posición del punto sobre cada uno de los ejes. La representación de las coordenadas cartesianas se muestra en la imagen 5 a continuación, donde se aprecian los planos que forman a su vez las coordenadas entre sí. 9 Unidad 1. Aplicaciones CAD/ CAM planteados. En tal sentido, existen varias técnicas de programación que básicamente se sintetizan en las siguientes categorías: Programación manual - Es frecuentemente el método más sencillo y el más económico, sin embargo, es también el método más tedioso. Hoy en día es muy utilizado por muchas compañías en donde no existe una gran variedad ni un alto grado de complejidad en cuanto a la geometría de las piezas que producen. - Usa datos numéricos básicos y códigos alfanuméricos especiales para definir los diferentes pasos en un proceso. Figura 5. Sistemas de coordenadas - Solo puede ser usado cuando se trata de piezas con geometría Sistema de coordenadas polares simple. Según la necesidad de detalle del elemento del cual se requiera - representar sus puntos en el plano, se utiliza en muchas ocasiones y es laborioso. el sistema de coordenadas polares. En este sistema se necesitan - un ángulo (ᶲ) y una distancia (r), los cuales conforman un vector es importante señalar que la programación manual siempre debe unitario que indique la dirección del elemento. ser considerada como un pilar básico en la formación de cualquier sistema automatizado Existen altas posibilidades de cometer errores. Sin embargo, programador, ya que siempre se necesitara tener los conceptos Técnicas de programación Todo El proceso de programación consume gran cantidad de tiempo requiere de la indicación de instrucciones por parte del usuario u operador a fin de que las maquinas se adapten a los parámetros operacionales para generar el producto u objeto que corresponda con los requerimientos Ingeniería Asistida por Computador / Ing. Mariangely Talavera básicos para ser capaz de hacer modificaciones a los programas que se generan, independientemente de la técnica que utilice. Un ejemplo donde aplica la programación manual es las operaciones de Control Numérico, como se ilustra en la figura 6. 10 Unidad 1. Aplicaciones CAD/ CAM Programación usando sistemas de CAD/ CAM - Hoy en día son vistos como un recurso clave para alcanzar altos niveles de calidad y productividad en compañías o talleres, ya que esta tecnología representa la herramienta más avanzada para lograr precisión, repetibilidad y rapidez durante el proceso de maquinado de piezas complejas. - La característica principal de este método de programación es el uso de un sistema grafico basado en la computadora que interactúa con el programador en el momento en el que la pieza está siendo preparada. - De manera general, estos sistemas ayudan al programador en tres áreas principales: evitar hacer cálculos matemáticamente manuales, permitir programar diferentes tipos de maquinas usando Figura 6. Programación manual CN el mismo lenguaje básico y ayuda con cierta funciones básica de maquinado. Programación conversacional - En este tipo de programación el programa es creado directamente en la máquina (taller de trabajo) y la principal ventaja - El programador debe dar información general al sistema. - Se debe definir la geometría de la pieza de trabajo. - Se deben definir las operaciones de maquinado. es el contenido de un alto nivel de descripción estándar de la geometría de una pieza, o cual simplifica el proceso de definición de los movimientos de herramienta. - En este tipo de sistemas, por lo general, el sistema solo pregunta por la geometría que se usará para calcular las trayectorias de herramienta. Ingeniería Asistida por Computador / Ing. Mariangely Talavera 11 Unidad 1. Aplicaciones CAD/ CAM - Documentación En cada fase intervienen diversas áreas de la empresa u organización, a fin de proporcionar la información necesaria para que los siguientes equipos de trabajo logren el resultado final deseado. Mercado Figura 8. Programación manual Vs.CAD/ CAM Diseño de producto asistido por ordenador El proceso de diseño del producto se puede descomponer en las Definición del Producto Creación del modelo Construcción del prototipo Análisis y optimización del modelo Ensayo y optimización del prototipo Documentación Fabricación Figura 9. Fases del diseño de un producto. siguientes fases: - Definición del producto - Creación de un modelo - Análisis y optimización del modelo - Construcción de un prototipo - Ensayos y optimización del prototipo Ingeniería Asistida por Computador / Ing. Mariangely Talavera 12 Unidad 1. Aplicaciones CAD/ CAM Bibliografía recomendada García Higuera, Andrés. CIM: El computador en la automatización de la producción. 2007. Baumgartner, H.; Knichewski, K.; Wieding, H.: CIM. Consideraciones Básicas. Barcelona, Siemens AG y Marcombo SA. Ingeniería Asistida por Computador / Ing. Mariangely Talavera 13
