CAPÍTULO II. USO DE CATIA EN EL PROYECTO

Transcripción

1 CAPÍTULO II. USO DE CATIA EN EL PROYECTO INTRODUCCIÓN AL CAD/CAM CAD El diseño asistido por ordenador (CAD - Computer Aided Design), se utiliza para generar modelos con las principales características de un determinado producto, como pueden ser el tamaño, el contorno y la forma de cada componente, permitiendo además simular el funcionamiento del producto en cuestión. Una vez los datos geométricos, ya sean bidimensionales o tridimensionales, han sido introducidos y almacenados en el sistema informático, el diseñador puede manipularlos o modificar las ideas del diseño con mayor facilidad para avanzar en el desarrollo del producto. Además, pueden compartirse e integrarse las ideas combinadas de varios diseñadores, ya que es posible mover los datos dentro de redes informáticas, con lo que los diseñadores e ingenieros situados en lugares distantes entre sí, pueden trabajar como un equipo. CAM La fabricación asistida por ordenador (CAM - Computer Aided Manufacturing), implica el uso de computadores para ayudar en todas las fases de la fabricación de un producto, incluyendo la planificación del proceso y la producción, mecanizado, calendarización, administración y control de calidad, con una intervención del operario mínima. La fabricación asistida por ordenador ofrece significativas ventajas con respecto a los métodos tradicionales de control de equipos de fabricación. Los equipos CAM conllevan la eliminación de los errores del operador y la reducción de los costes de mano de obra. Asimismo, están basados en una serie de códigos numéricos, almacenados en archivos informáticos, para controlar las tareas de fabricación. Este Control Numérico por Computadora (CNC) se obtiene describiendo las operaciones de la máquina en términos de códigos especiales y geometría de forma de los componentes. 23

2 Algunos ejemplos de CAM son: el fresado programado por control numérico, la realización de agujeros en circuitos automáticamente por un robot, y la soldadura automática de componentes SMD en una planta de montaje. CAD/CAM Debido a las múltiples ventajas de ambos sistemas, suele combinarse el diseño y la fabricación asistidos por ordenador en los sistemas CAD/CAM. Esta combinación permite la transferencia de información desde la etapa de diseño hasta la etapa de planificación para la fabricación de un producto, sin necesidad de volver a capturar manualmente los datos geométricos de la pieza. La base de datos que se desarrolla durante el CAD es procesada por el CAM para obtener los datos e instrucciones necesarias para operar y controlar la maquinaria de producción, el equipo de manejo de material y las pruebas e inspecciones automatizadas que establecen la calidad del producto. De este modo, las características de los sistemas CAD/CAM son aprovechadas por los diseñadores, ingenieros y fabricantes para adaptarlas a las necesidades específicas de sus situaciones. Por ejemplo, un diseñador puede utilizar el sistema para crear rápidamente un primer prototipo y analizar la viabilidad de un producto, mientras que un fabricante quizá emplee el sistema porque es el único modo de poder fabricar con precisión un componente complejo. De este modo, los sistemas CAD/CAM permiten mejorar la fabricación, desarrollo y diseño de los productos. Una función de CAD/CAM importante en operaciones de mecanizado, es la posibilidad de describir la trayectoria de la herramienta para diversas operaciones, como por ejemplo torneado, fresado y taladrado con control numérico. Las instrucciones o programas se generan en computadora, y pueden modificar el programador para optimizar la trayectoria de las herramientas. El ingeniero o el técnico pueden entonces mostrar y comprobar visualmente si la trayectoria tiene posibles colisiones con otros objetos. Otra ventaja es que en cualquier momento es posible modificar la trayectoria de la herramienta para tener en cuenta otras formas de piezas que se vayan a mecanizar. 24

3 También, los sistemas CAD/CAM son capaces de codificar y clasificar por grupos las piezas que tengan formas semejantes. En definitiva, el surgimiento del CAD/CAM ha tenido un gran impacto en la manufactura al normalizar el desarrollo de los productos y reducir los esfuerzos en el diseño, pruebas y trabajo con prototipos. Esto ha hecho posible reducir los costos de forma importante y mejorar la productividad. Un ejemplo de ello lo tenemos con el avión de pasajeros Boeing 777, el cual fue diseñado en su totalidad con dos mil estaciones de trabajo conectadas a ocho computadoras, y no se construyeron prototipos ni simulaciones como los que se requirieron en los modelos anteriores, con el consiguiente ahorro económico que ello supone. Ejemplos de este tipo de software son: CATIA, WorkNC, Unigraphics, CAMWorks o GibbsCAM. La futura evolución incluirá la integración aún mayor de sistemas de realidad virtual, que permitirá a los diseñadores interactuar con los prototipos virtuales de los productos mediante la computadora, en lugar de tener que construir costosos modelos o simuladores para comprobar su viabilidad. Figura 26. Ejemplos de aeronaves modeladas en CATIA V5 25

4 JUSTIFICACIÓN DEL USO DE CATIA EN EL PROYECTO CATIA (Computer-Aided Threedimensional Interactive Application) es un programa informático de diseño, fabricación e ingeniería asistida por ordenador creado y comercializado por Dassault Systèmes, que es la ingeniería filial de Dassault (grupo francés fabricante de aviones). Nació como un programa de diseño CAD, pero desde su creación y comercialización a partir de 1981, ha ido evolucionando de tal manera que actualmente maneja todas las herramientas necesarias para el diseño, análisis, simulación, presentación, fabricación, producción y mantenimiento de productos. El programa está configurado por módulos, unos más básicos y otros altamente específicos; desde el diseño de componentes, su ensamblaje 3D y obtención de los correspondientes planos 2D, hasta módulos para analizar y simular el mecanizado de piezas, realizar análisis por elementos finitos, diseño eléctrico, electrónico y de tuberías o incluso análisis ergonómico, necesario en determinados casos. Además, CATIA V5 también es muy útil para el diseño de herramientas, moldes y matrices, así como el diseño de utillaje, fundamental en el sector aeronáutico y de la automoción. Otro aspecto a destacar de este programa es la extensa librería de materiales de la que dispone, desde madera y piedra, hasta metales y materiales de construcción, sin contar que permite al usuario crear los materiales que necesite, siempre y cuando proporcione las características técnicas y parámetros necesarios para definirlo, tales como la densidad, módulo de Young, coeficiente de Poisson y coeficiente de expansión térmica. Y no sólo eso, sino que además permite crear y trabajar con materiales compuestos, cada vez más empleados en la industria aeronáutica. CATIA V5 ofrece al usuario potentes herramientas de diagnóstico en tiempo real, permitiendo definir, simular y analizar mecanismos directamente desde el ensamblaje del producto. Además cuenta con opciones de postprocesamiento que refuerzan la potencia de la simulación, a través del análisis de conflictos o de la generación por barrido de partes móviles. 26

5 Asimismo, CATIA V5 es un programa óptimo para el manejo de modificaciones a lo largo del ciclo de vida del producto. Ofrecee la posibilidad de que varios usuarios trabajen simultáneamentee en un ensamblaje compartiendo e intercambiando modificaciones en el objeto. De esta manera se garantizaa la rápida propagación de cambios, lo que evita retrasos y disminuye costess de producción. Todos los implicados en el proceso de desarrollo, pueden trabajar en el contexto del producto completo, teniendo la certeza de que cuentan con datos correctos y actualizados. De este modo, se consigue, por ejemplo, que los departamentos de diseño e ingeniería trabajen en colaboración para mejorarr la estética de sus diseños garantizando a su vez la mejor cobertura del aspecto funcional del producto. Figura 27. Motor de avión diseñado en CATIA V5 Por las soluciones de modelización 3D de las que dispone, CATIA V5 es en la actualidad el software de ingeniería utilizado por excelencia en el sector aeronáutico, con el nivel de exigencia que ello supone. Permite a los ingenieros mecánicos y de diseño crear un prototipo virtual y proporciona potentes herramientas para analizar y simular digitalmente el producto en su entorno de funcionamiento. El hecho de haber sido desarrollado en el seno de la industria aeronáutica, hace que este software permita manejar superficies tremendame ente complejas, por lo que también es cadaa vez más usado en la industria del automóvil para el diseño y desarrollo de componentes de carrocería. Concretamente empresas como BMW, Renault, Peugeot, Volkswagen, Audi, Seat, Chrysler, Smart y Porsche hacen un amplio uso del programa. 27

6 Figura 28. Estructura interna de un automóvil creada con CATIA V5 Una vez expuesto el amplio abanico de posibilidades y ventajas que CATIA V5 ofrece al usuario, consideramos que el uso de dicho programa en este Proyecto Fin de Carrera queda sobradamente justificado. Concretamente, la versión con la que hemos trabajado ha sido CATIA V5 R20. Figura 29. Proyecto Sparrow realizado por el autor en la asignatura Cálculo de Aviones 28

7 MÓDULOS DE CATIA V5 UTILIZADOS EN EL PROYECTO Finalmente, una vez justificado y establecido el uso de CATIA V5 en este Proyecto, a continuación pasamos a comentar los módulos utilizados para la ejecución del mismo, pues como comentamos con anterioridad, CATIA V5 se organiza en distintos módulos, algunos básicos y otros más específicos. Mechanical Design/Sketcher Este módulo nos permite crear perfiles 2D (cerrados o abiertos) y establecer distintas restricciones para definir perfectamente la geometría bidimensional de cualquier elemento, siempre que su geometría no sea excesivamente compleja. Las restricciones pueden ser geométricas (como por ejemplo, verticalidad, horizontalidad, tangencia o perpendicularidad), o bien pueden ser dimensionales (longitud, diámetro, distancia/ángulo entre dos elementos). Es uno de los módulos más básicos de CATIA V5, pues lo normal para una pieza es crear en primer lugar su geometría bidimensional y posteriormente darle volumen. Por ello ha sido ampliamente utilizado durante el desarrollo de este Proyecto. Mechanical Design/Part Design Este módulo es el que se emplea para el modelado de sólidos. Proporciona al usuario distintas herramientas para dar volumen a una geometría bidimensional creada previamente en el Sketcher, o como veremos más adelante, para hacer sólida una superficie creada en el módulo Wireframe and Surface Design. Los ficheros creados se guardan con la extensión CATPart. Al igual que el módulo anterior, éste es otro de los básicos de CATIA V5, y ha sido usado para la creación de la mayor parte de las piezas de este Proyecto. Mechanical Design/Assembly Design Este módulo se emplea para realizar el ensamblaje de las distintas partes que componen un conjunto, aplicando las restricciones que permiten posicionar correctamente los componentes entre sí. Los ficheros generados en este módulo tienen la extensión CATProduct. Destacar que CATIA V5 permite ensamblar indistintamente entre sí piezas (ficheros CATPart) y subconjuntos (ficheros CATProduct). De este modo 29

8 podemos simplificar enormemente la creación de grandes ensamblajes por muy elevado que sea el número de piezas, siempre que seamos capaces de segregarlas en los subconjuntos oportunos. Este módulo es otro de los clásicos de CATIA V5, y también ha sido ampliamente utilizado en el desarrollo de este Proyecto. De hecho, en el transcurso de este informe, podremos ver en diversas tablas los subconjuntos que se han creado para componer el ensamblaje final. Mechanical Design/Wireframe and Surface Design Este módulo dispone de las herramientas necesarias para generar cualquier tipo de geometría, por muy compleja que sea. Por ello, se utiliza en gran medida para la creación de superficies auxiliares en las que apoyarnos para dar forma a piezas que por la complejidad de su geometría, son imposibles de generarse en el Part Design. Por tanto, durante la realización de este Proyecto, hemos recurrido a este módulo siempre que ha sido necesario generar alguna geometría auxiliar. Por ejemplo, el empleo de este módulo ha sido determinante e imprescindible para la creación de los sistemas de engranajes rectos y cónicos, pues el contorno de los respectivos dientes es de geometría bastante complicada. Una vez generada la geometría, pasamos al Part Design para hacer la pieza sólida. Mechanical Design/Generative Sheetmetal Design Este módulo ofrece facilidades para la generación de piezas de espesor delgado, es decir, chapas. Antes de empezar a trabajar, debemos especificar el espesor de la chapa y el radio de plegado, y a partir de ahí podemos utilizar las distintas herramientas disponibles para la generación de la geometría. Podemos realizar fácilmente plegados sobre cualquier eje que creemos, así como realizar el desplegado de la misma para obtener el desarrollo de la pieza completa. Así pues, por las ventajas que ofrece, las piezas de chapa incluidas en este Proyecto han sido creadas con este módulo. Digital Mockup/DMU Navigator Este módulo permite crear diferentes tipos de vistas de anotación a las que podemos añadir texto, imágenes, sonido o incluso vínculos a otros documentos. Estas vistas son almacenadas en carpetas y subcarpetas incluidas en el árbol de modelado. 30

9 También dispone de comandos para generar animaciones del movimiento de los diferentes elementos del conjunto (tracks) y para detectar posibles colisiones que pudieran producirse durante su transcurso. Por las características que presenta y las posibilidades que ofrece, este módulo nos resultará de gran utilidad a la hora de realizar la redacción de este Proyecto, pues hemos visto que permite, entre otras opciones, añadir aclaraciones, visualizar detalles de relevancia y realizar comprobaciones. Digital Mockup/DMU Kinematics Este módulo está destinado a simular y analizar el movimiento en mecanismos. En CATIA V5, un mecanismo está compuesto por varias partes conectadas con uniones, donde cada parte pertenece a un set geométrico en el que se encuentran las entidades necesarias para su definición. A parte de las uniones, también es necesario añadir los comandos que definen el movimiento. Con la versión actual, está permitido definir dieciséis tipos de uniones diferentes: por revolución, prismática, cilíndrica, de tonillo-tuerca, esférica, plana, rígida, punto-curva, de rodadura con deslizamiento, de rodadura sin deslizamiento, punto-superficie, universal, de velocidad constante, de engranaje, de engranajecremallera y de cable. Una vez definidas las uniones y comandos pertinentes, así como la parte fija del mecanismo, el programa nos permitirá realizar la simulación y posterior análisis. Además podemos detectar dinámicamente colisiones y crear animaciones. Así pues, por las potentes herramientas de las que dispone, hemos utilizado este módulo de CATIA V5 para realizar un vídeo, adjuntado en la documentación anexa de este Proyecto, en el que podemos visualizar y analizar el funcionamiento de los mecanismos que componen el modelo realizado del automóvil de Leonardo da Vinci. Digital Mockup/DMU Fitting Este módulo contiene algunas herramientas de simulación similares a las del DMU Navigator, aparte de otras más específicas. Sin embargo, para simular el despiece de un ensamblaje siguiendo unas trayectorias determinadas (tracks), es más adecuado utilizar este módulo que el anterior, pues permite generar dichas trayectorias así como agrupar aquellos componentes que nos interese manipular de forma conjunta (shuttle). 31

10 Knowledgeware En este módulo de CATIA V5, se incluyen una serie de herramientas muy interesantes que permiten a los diseñadores crear sus propias especificaciones. A través de dichas herramientas, el ingeniero puede incorporar en el diseño de una pieza las fórmulas, reglas, comportamientos o chequeos que considere necesarios para la correcta definición de la misma. De este modo, el programa puede guiar a cualquier usuario que intervenga en el proceso de diseño, a través de advertencias y avisos que aparecen en el momento en que la pieza no cumpla las especificaciones impuestas por el diseñador. Con ello se obtiene una reducción de los errores y una automatización del proceso de diseño, lo que se traduce en un aumento directo de la productividad. Asimismo, en este módulo resultan especialmente importantes los parámetros, que son los elementos que permiten controlar las variables que forman parte de algún aspecto del diseño. Éstos pueden generarse intrínsecamente al sistema a medida que vamos creando objetos y geometrías, o también pueden ser definidos directamente por el usuario. Existen muchos tipos de parámetros, como por ejemplo de medida, de masa, reales o incluso booleanos. Por lo tanto, este módulo ha sido determinante en el proceso de parametrización de nuestros modelos, ya que nos ha permitido crear todos los parámetros y fórmulas necesarios para definir adecuadamente el diseño. Respecto a lo anterior, es importante destacar que aunque CATIA V5 posee herramientas propias para la generación de fórmulas, cuando el número de relaciones a establecer es demasiado elevado, puede resultar un tanto engorroso trabajar en este sentido a nivel interno. Por ello, en este Proyecto, hemos aprovechado otra de las posibilidades que ofrece este módulo para crear externamente las fórmulas en Excel y vincularlas posteriormente a nuestra geometría a través de la asociación de parámetros. 32