Tecnología de Fabricación y Tecnología de Máquinas

Transcripción

1 INTRODUCCIÓN AL CAD/CAM/CAE/CIM

2 Índice Definiciones El CAD/CAM en el proceso de diseño y Fabricación Desarrollo histórico Componentes del CAD/CAM Campos de Aplicación Ingeniería Inversa Ejemplo de aplicación (SISTEMA CAD/CAM: I-DEAS)

3 Definiciones El Diseño y la fabricación asistidos por ordenador (CAD/CAM) es una disciplina que estudia el uso de sistemas informáticos como herramienta de soporte en todos los procesos involucrados en el diseño y la fabricación de cualquier tipo de producto. El uso cooperativo de herramientas de diseño y de fabricación ha dado lugar a la aparición de una nueva tecnología denominada Fabricación Integrada por Ordenador e incluso se habla de la Gestión Integrada por Ordenador

4 Definiciones CAD es el acrónimo de Computer Aided Design o diseño asistido por computador TECNOLOGÍA IMPLICADA EN EL USO DE ORDENADORES PARA REALIZAR TAREAS DE CREACIÓN, MODIFICACION, ANÁLISIS Y OPTIMIZACIÓN DE UN DISEÑO. FUNCIÓN PRINCIPAL DEFINICIÓN DE LA GEOMETRÍA DEL DISEÑO La geometría de un objeto se usa en etapas posteriores en las que se realizan tareas de ingeniería y fabricación. (Ingeniería asistida por Ordenador o Computer Aided Engineering (CAE) )

5 Definiciones 2: modelado en CAD 1: boceto en papel

6 Definiciones CAD plano s datos másicos mallado para análisis por elementos finitos

7 Definiciones CAD PAQUETE SOFTWARE I-DEAS PRO-ENGINEER CATIA AUTOCAD (2D) MECHANICAL DESKTOP IMAGINEER (2D) SOLID EDGE COMPAÑÍA SDRC (STRUCTURAL DYNAMICS RESEARCH CORPORATION) PARAMETRIC TECHNOLOGY CORPORATION IBM AUTODESK AUTODESK INTERGRAPH INTERGRAPH

8 Definiciones CAM Uso de sistemas informáticos para la planificación, gestión y control de las operaciones de una planta de fabricación mediante una interfaz directa o indirecta entre el sistema informático y los recursos de producción.

9 Definiciones CAM Dos categorías : Interfaz directa: ordenador se conectado directamente con el proceso de producción Supervisión Control Interfaz indirecta: ordenador como herramienta de ayuda para la fabricación, pero en las que no existe una conexión directa con el proceso de producción.

10 Definiciones CAM FUNCIONES CAM: CONTROL NUMÉRICO. TECNOLOGÍA QUE USA INSTRUCCIONES PROGRAMADAS PARA CONTROLAR MÁQUINAS HERRAMIENTA QUE CORTAN, DOBLAN, PERFORAN O TRANSFORMAN UNA MATERIA PRIMA EN UN PRODUCTO TERMINADO. PROGRAMACIÓN DE ROBOTS. PLANIFICACIÓN DE PROCESOS: TAREA CLAVE PARA CONSEGUIR LA AUTOMATIZACIÓN DESEADA. SIRVE DE UNIÓN ENTRE LOS PROCESOS DE CAD Y CAM. DETERMINA DE FORMA DETALLADA LA SECUENCIA DE PASOS DE PRODUCCION REQUERIDOS PARA FABRICAR Y ENSAMBLAR, DESDE EL INICIO A LA FINALIZACIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN.

11 DE APT: Automatically Programmed Tool Creado en 1956 en el MIT Actualmente va por la cuarta versión Representa las piezas a fabricar mediante superficies tridimensionales y puntos (ni importa CAD) Los movimientos de la herramienta se interpolan linealmente La interpolación cuida de respetar las tolerancias pedidas AUTOSPOT: Automatic System for Positioning Tools Creado por IBM Restringido a dos dimensiones: La herramienta se posiciona en X,Y A continuación se hace el mecanizado (taladrado, torneado, etc) ADAPT: Adaptation of APT Creado por IBM Reduce las funcionalidades del APT para permitirle funcionar en pequeños ordenadores Operaciones 3D limitadas COMPACT: Extended Subset of APT Creado por Manufacturing Data Systems Elimina la necesidad del post-procesador

12 CAM NC Vision Definiciones Desarrollado por Computervision Posee un programa propio de CAD (CADD4) Permite elegir entre distintos métodos de mecanizado Biblioteca de herramientas Genera trayectorias en función de los parámetros de corte especificados 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 I-DEAS Programa CAD con utilidades CAM Capaz de generar trayectorias completas Modelos sólidos: es capaz de detectar interferencias (colisiones) PRO-ENGINEER Características similares a las de I-DEAS

13 CAM Definiciones Sistemas de simulación de mecanizado Disponibles en la mayor parte de los programas CAM Dos posibilidades: representación de las trayectorias de la herramienta simulación del arranque de material En ningún caso se consideran las condiciones de corte Simulación de trayectorias Simulación de arranque de material en mecanizado

14 Definiciones CAE La Ingeniería Asistida por Ordenador (Computer Aided Engineering o CAE) es la tecnología que se ocupa del uso de sistemas informáticos para analizar la geometría generada por las aplicaciones de CAD, permitiendo al diseñador simular y estudiar el comportamiento del producto para refinar y optimizar dicho diseño.

15 Definiciones CAE: Datos de partida y principales análisis realizables Datos de partida Análisis realizables Geometría de la pieza o del conjunto (restricciones de movimiento) Materiales empleados 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 Herramientas más comunes: Adams, Working Model

16 Definiciones CAE El método de análisis por ordenador más ampliamente usado en ingeniería es el método de elementos finitos o FEM (de Finite Element Method). Se utiliza para determinar tensiones, deformaciones, transmisión de calor, distribución de campos magnéticos, flujo de fluidos y cualquier otro problema de campos continuos que serian prácticamente imposibles de resolver utilizando otros métodos. En este método, la estructura se representa por un modelo de análisis constituido de elementos interconectados que dividen el problema en elementos manejables por el ordenador.

17 Definiciones CAD; CAM y CAE son tecnologías que tratan de automatizar ciertas tareas del ciclo de producto y hacerlas más eficientes. Dado que se han desarrollado de forma separada, aun no se han conseguido todos los beneficios potenciales de integrar las actividades de diseño y fabricación del ciclo de producto. Para solucionar este problema ha aparecido una nueva tecnología: la fabricación integrada por ordenador o CIM (de Computer Integrated Manufacturing).

18 Definiciones CIM Esta tecnología tiene el objetivo de aunar las islas de automatización conjuntándolas para que cooperen en un sistema único y eficiente. El CIM trata de usar una única base de datos que integre toda la información de la empresa y a partir de la cual se pueda realizar una gestión integral de todas las actividades de la misma, repercutiendo sobre todas las actividades de administración y gestión que se realicen en la empresa, además de las tareas de ingeniería propias del CAD y el CAM. Se dice que el CIM es más una filosofía de negocio que un sistema informático

19 CIM Definiciones CIM CAD/CAM. Uso de los computadores en: Diseño de la producción Planificación de la producción Control de las operaciones

20 El CAD/CAM en el proceso de diseño y fabricación

21 El CAD/CAM en el proceso de diseño y fabricación EL PROCESO CAD HERRAMIENTAS CAD PARA EL PROCESO DE DISEÑO

22 El CAD/CAM en el proceso de diseño y fabricación EL PROCESO CAM

23 Desarrollo histórico Años 50 y 60 Un ordenador ocupa una habitación y cuesta cientos de millones Primera pantalla gráfica en el MIT Concepto de programación de control numérico Primeras máquinas herramienta Cada compañía desarrolla su propio y peculiar sistema de CAD (GM) Lápiz óptico: inicio de los gráficos interactivos Aparición comercial pantallas de ordenador Utilizado por la industria del automóvil, aeronáutica y compañías muy grandes Años 70 Los minicomputadores son cabinas y cuestan unos pocos millones CAD significa Computer Aided Drafting Aparecen los primeros sistemas 3D (prototipos) Potencia de los sistemas limitada modelado de elementos finitos, control numérico Aparecen empresas como Computervision o Applicon Celebración del primer SIGGRAPH y aparición de IGES

24 Desarrollo histórico Principios 80 Incremento de potencia (32 bits) Se extiende la funcionalidad de las aplicaciones CAD Superficies complejas y modelado sólido Los sistemas de CAD son caros todavía Se incrementa el interés en el modelado 3D frente al dibujo 2D Finales 80 Nace Autocad y los PC s Menor precio y mayor funcionalidad de los sistemas Los sistemas potentes están basados en estaciones Unix El mercado del CAD se generaliza en las empresas Principios 90 Automatización completa procesos industriales Integración técnicas diseño, análisis, simulación y fabricación Tecnología de supervivencia Estaciones PC Nuevas funcionalidades: modelado sólido, paramétrico, restricciones Finales 90 - Siglo XXI Internet e Intranets lo conectan todo El precio del Hardware cae La potencia aumenta Gran cantidad de aplicaciones Se impone el PC

25 Componentes del CAD/CAM

26 Componentes del CAD/CAM MODELADO GEOMÉTRICO. ESTUDIO DE MÉTODOS DE REPRESENTACIÓN DE ENTIDADES GEOMÉTRICAS. TIPOS DE MODELOS: ALÁMBRICOS (PERFILES, TRAYECTORIAS, REDES ) DE SUPERFICIES (CARROCERÍAS, ZAPATOS ) DE SÓLIDOS (PIEZAS MECÁNICAS, MOLDES ) TÉCNICAS DE VISUALIZACIÓN. TÉCNICAS DE INTERACCIÓN GRÁFICA. SOPORTE DE LA ENTRADA DE INFORMACIÓN GEOMÉTRICA EN EL SISTEMA DE DISEÑO. TÉCNICAS DE POSICIONAMIENTO Y DE SELECCIÓN. INTERFAZ DE USUARIO.

27 Componentes del CAD/CAM BASE DE DATOS. ALMACENA DATOS DE DISEÑO, RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS, INFORMACIÓN DE FABRICACION MÉTODOS NUMÉRICOS. CONCEPTOS DE FABRICACIÓN. MÁQUINAS, HERRAMIENTAS Y MATERIALES PARA MANEJAR APLICACIONES DE FABRICACION. CONCEPTOS DE COMUNICACIONES. INTERCONEXIÓN DE SISTEMAS, DISPOSITIVOS Y MÁQUINAS DE UN SISTEMA CAD/CAM.

28 Campos de Aplicación MECÁNICA. LIBRERÍAS DE PIEZAS MECÁNICAS NORMALIZADAS. MODELADO CON SÓLIDOS PARAMÉTRICOS. GENERACIÓN Y SIMULACIÓN DE PROGRAMACIÓN DE ROBOTS. GENERACIÓN Y SIMULACIÓN DE PROGRAMAS DE CONTROL NUMÉRICO. FABRICACIÓN RÁPIDA DE PROTOTIPOS. ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITOS. MODELADO Y SIMULACIÓN DE MOLDES. PLANIFICACIÓN DE PROCESOS. TRADUCTORES DE FORMATOS NEUTROS (IGES, STEP )

29 Campos de Aplicación ARQUITECTURA E INGENIERÍA CIVIL. LIBRERÍAS DE ELEMENTOS DE CONSTRUCCIÓN NORMALIZADOS. DISEÑO ARQUITECTÓNICO. DISEÑO DE INTERIORES. DISEÑO DE OBRA CIVIL. CÁLCULO DE ESTRUCTURAS. MEDICIONES Y PRESUPUESTOS. PLANIFICACIÓN DE PROCESOS.

30 Campos de Aplicación SISTEMAS DE INFORMACIÓN Y CARTOGRAFÍA. MANTENIMIENTO Y PRODUCCIÓN DE MAPAS Y DATOS GEOGRÁFICOS. ANÁLISIS TOPOGRÁFICO. ESTUDIOS MEDIOAMBIENTALES. CATASTRO. PLANIFICACIÓN URBANA.

31 Campos de Aplicación INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. LIBRERIAS DE COMPONENTESNORMALIZADOS. DISEÑO DE CIRCUITOS INTEGRADOS. DISEÑO DE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESO. DISEÑO DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS. ANÁLISIS, VERIFICACIÓN Y SIMULACIÓN DE LOS DISEÑOS. PROGRAMACIÓN DE CN PARA EL MECANIZADO O MONTAJE DE PLACAS.

32 Ingeniería Inversa PROCESO DE INGENIERÍA INVERSA: A PARTIR DE UNA PIEZA REAL, POR DIGITALIZADO, SE OBTIENE UNA NUBE DE PUNTOS CORRESPONDIENTES A LA SUPERFICIE DE DICHA PIEZA. A PARTIR DE ESA NUBE DE PUNTOS, 3 POSIBILIDADES: 1. GENERACIÓN DIRECTA DEL PROGRAMA CN PARA FABRICAR LA PIEZA CON UNA FRESA DE BOLA DEL MISMO RADIO QUE EL PALPADOR CON EL QUE SE HA DIGITALIZADO. 2. INTRODUCIR EN UN SISTEMA CAM LA NUBE DE PUNTOS Y A PARTIR DE ELLA EL SISTEMA GENERA LOS PROGRAMAS DE CN DE LAS OPERACIONES DE DESBASTE, PREACABADO Y ACABADO PARA FABRICAR LA PIEZA, CON LOS RADIOS DE HERRAMIENTA QUE SE DESEEN. 3. INTRODUCIR EN UN SISTEMA CAD LA NUBE DE PUNTOS PARA OBTENER SUPERFICIES MATEMÁTICAS QUE SE AJUSTEN A ELLA. SE PUEDEN PASAR LAS SUPERFICIES A UN SISTEMA CAE QUE ESTUDIE EL COMPORTAMIENTO DE LA PIEZA. TAMBIEN SE PUEDEN PASAR A UN SISTEMA CAM.

33 Ingeniería Inversa DIGITALIZADO: OBTENCIÓN DE INFORMACION DE LA SUPERFICIE DE UN OBJETO REAL (COORDENADAS CARTESIANAS X, Y, Z). 1) SISTEMAS DE METROLOGÍA TRIDIMENSIONAL. LOS EJES ESTÁN ACCIONADOS POR SERVOMOTORES Y SE CONTROLA LA POSICIÓN DE CADA UNO CON CAPTADORES DE POSICIÓN. EL CABEZAL LLEVA UN PALPADOR QUE AL TOCAR FÍSICAMENTE LA PIEZA MODELO REGISTRA LAS COORDENADAS X, Y, Z DEL CENTRO DEL PALPADOR. LAS COORDENADAS DE LOS PUNTOS OBTENIDOS CORRESPONDEN A PUNTOS DE UNA SUPERFICIE PARALELA A LA SUPERFICIE REAL Y SEPARADA UNA DISTANCIA IGUAL AL RADIO DEL PALPADOR. EXISTEN SOFTWARES CAPACES DE COMPENSAR ESTE RADIO. POSIBILIDAD DE UTILIZAR UN CABEZAL LÁSER. NO HAY CONTACTO. 2) SISTEMAS DE VISIÓN ARTIFICIAL. (ESCÁNER 3D)

34 Ingeniería Inversa

35 Ingeniería Inversa APLICACIONES DE LA INGENIERÍA INVERSA: ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE PIEZAS. (RESISTENCIA, DEFORMACIONES, EFECTO DE VIBRACIONES, TEMPERATURA ). FABRICACIÓN DE MOLDES. A PARTIR DEL DIGITALIZADO DE LA PIEZA A OBTENER CON EL MOLDE, SE GENERAN LAS SUPERFICIES EN UN SISTEMA CAD Y SE OBTIENEN LOS PROGRAMAS DE CN PARA FABRICAR EL MOLDE CON UN SISTEMA CAM. STYLING. MEJORAR Y REPRODUCIR UN MODELO INICIAL OBTENIDO POR MEDIOS MANUALES. (IMPOSICIÓN DE SIMETRÍAS, RADIOS DE UNION AL MODELO CAD). MARKETING INDUSTRIAL.

36 EJEMPLO SISTEMA CAD/CAM: I-DEAS I-DEAS: paquete integrado de herramientas de ingeniería mecánica. Objetivo: posibilitar la ingeniería concurrente en el diseño y análisis de productos Estructuración: en base a un conjunto de aplicaciones El modelador Sistema de diseño 3D paramétrico Capacidad de utilizar tanto sólidos como superficies Es la base del resto de aplicaciones de I-DEAS La aplicación de diseño Trabaja sobre las geometrías definidas mediante el modelador Posibilidades: Creación de conjuntos (ensamblajes) Vaciados (carcasas) Doblados de metal Análisis de mecanismos

37 EJEMPLO SISTEMA CAD/CAM: I-DEAS La aplicación de dibujo Permite generar planos en papel Dibuja automáticamente vistas, secciones, acotaciones, perspectivas, etc. Simulación y test Frecuencias propias, modos de vibración, etc. Análisis de estático de esfuerzos-desplazamientos Análisis de fatiga Análisis dinámico para el caso de fuerzas que varían rápidamente Análisis no-lineales para deflexiones grandes En todos los casos es posible relacionar la variación del comportamiento en función de los parámetros de diseño: optimización CAM Generación de trayectorias para la herramienta Evaluación de la complejidad de fabricación Otras aplicaciones Cálculos térmicos por conducción y convección Creación de moldes Simulación de procesos de inyección de plásticos, etc.

38 EJEMPLO SISTEMA CAD/CAM: I-DEAS fresado de una pieza simple Punto de partida: diseño CAD de la pieza a mecanizar Supondremos que partimos de un bloque macizo rectangular Deseamos realizar los siguientes procesos: Planear el borde superior (se considera que el bloque de partida tiene una cierta sobremedida) Realizar el vaciado conservando los dos pivotes (ojo a las distintas alturas de ambos)

39 EJEMPLO SISTEMA CAD/CAM: I-DEAS fresado de una pieza simple Primera operación: rectificado del borde superior Datos a especificar: tipo de operación: fresado estilo de fresado: planeado superficie a mecanizar (sobre el plano) exceso de material (medida bloque partida) datos herramienta velocidades mecanizado forma de entrada de la herramienta: periférica resultado

40 EJEMPLO SISTEMA CAD/CAM: I-DEAS fresado de una pieza simple Segunda operación: vaciado de la pieza (respetando los pivotes) Datos a especificar: tipo de operación: fresado estilo de fresado: planeado superficie a mecanizar (sobre el plano) exceso de material (ya conocido) datos herramienta velocidades mecanizado forma de entrada de la herramienta: axial resultado

41 EJEMPLO SISTEMA CAD/CAM: I-DEAS fresado de una pieza simple Segunda operación modificada: vaciado de la pieza y planeado de los pivotes Datos a especificar: Se añaden dos superficies a mecanizar Resto datos: igual resultado