1. Aplicaciones CAD/ CAM/ CAE 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, herramientas especiales y energía. Unidad 1. Aplicaciones CAD/ CAM Conceptos Fundamentales CAD: Acrónimo de Computer Aided Design), comprende los sistemas 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. 1
CAM: Las siglas CAM corresponden al acrónimo de Computer Aided Manufacturing (Fabricación Asistida por Ordenador). Por CAM se entiende la utilización de ordenadores para tareas técnicas de elaboración de planos de mecanizado de piezas o cuerpos sólidos, incluyendo programación por Control Numérico (CN) para su posterior proceso de fabricación o montaje. El principal objetivo del CAM es pues, proveer información e instrucciones para la automatización de máquinas en la creación de partes, ensambles y circuitos; utilizando como punto de partida la información de la geometría creada por el CAD. En el terreno industrial la combinación de los sistemas CAD/CAM se refiere a la generación automática de código CNC. En tal sentido, los sistemas CAD/CAM han permitido grandes logros en la manufactura de piezas maquinadas tanto por su aplicación en componentes de geometrías complejas como en la disminución dramática del tiempo de generación de los programas de CNC. CAE: Ingeniería Asistida por Computadora (de sus siglas en ingles CAE, Computer Aided Engineering), corresponde al uso de software computacional para simular desempeño y así poder realizar mejoras a los diseños de producto o bien apoyar a la resolución de problemas de ingeniería para una amplia gama de industrias. Esto incluye el diseño, simulación, validación y optimización de productos, procesos y herramientas de manufactura. Un proceso típico de CAE incluyen pasos de pre-procesado, solución y post- procesado. En la fase inicial, los ingenieros modelan la geometría y las propiedades físicas del diseño, así como el ambiente en forma de cargas y restricciones aplicadas. En la fase de post- procesado, los resultados se presentan al ingeniero para su revisión. La finalidad del CAE es ayudar al ingeniero de diseño en todas las etapas del desarrollo del producto, englobando los conceptos CAD/ CAM/ CAE. Las aplicaciones CAE soportan una gran variedad de disciplinas y fenómenos de la ingeniería, incluyendo: - Análisis de estrés y dinámica de componentes y ensambles utilizando el análisis de elementos finitos (FEA). - 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 - Simulación de procesos de manufactura - Optimización del proceso del producto. 2
Beneficios de CAE Los beneficios aportados por software de tipo CAE se refieren a reducción del tiempo y costo de desarrollo de productos, con mayor calidad y durabilidad del mismo. 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 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 Computarizado (CNC), Control numérico distribuido (DNC), diseño asistido por computadora (CAD), Manufactura asistida por computadora (CAM), diseño y manufactura asistida por computadora (CAD/ CAM), Ingeniería asistida por computadora (CAE), entre otros. CIM se estructura sobre los cimientos de estas tecnologías, como se ilustra en el esquema funcional de la figura 1. Figura 1. Esquema funcional del sistema CIM. 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. 3
CNC: Acrónimo de Control Numérico Computarizado, se refiere al control numérico de máquinas, generalmente maquinas herramientas. Normalmente este tipo de control se ejerce a través de un computador y la maquina está diseñada con la finalidad de obedecer las instrucciones de un programa dado. Además, la computadora puede analizar la precisión con que están 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: Se tienen altos volúmenes de producción La frecuencia de producción de un mismo artículo es muy alta El grado de complejidad de los artículos procesados es elevado Se realizan cambios en un artículo a fin de dale actualidad o brindar una variedad de modelos Es necesario un alto grado de precisión, entre otros. La fusión de tecnología CAD/ CNC permite la fabricación de piezas diseñadas en softwares de diseño para su posterior mecanizado en las máquinas herramientas correspondientes. Particularidades de los sistemas A continuación se resumen algunas de las propiedades que caracterizan y diferencian a los sistemas entre ellos. Unidad 1. Aplicaciones CAD/ CAM 4 CAD CAE CAM CIM CNC Implica el uso de un software interactivo para el diseño del producto. Abarca los sistemas de diseño, simulación, y procesado de producto. Implica el uso de computadoras para ayudar en las fases de manufactura del producto. Incluye todas las fases que rigen la realización de un producto desde su concepción Su programación es ardua y muy dada a errores. Permite el mejoramiento continuo del proceso de diseño del producto. Minimiza el tiempo de diseño. Requiere de destreza del usuario para generar el diseño con precisión Prueba, simula y certifica diseños de productos 3D antes de fabricarlos Permite detectar errores en el diseño para su corrección en CAD. Facilitan la integración en una cadena de fabricación Proporciona las herramientas para completar la geometría del producto para su fabricación Genera el código para la máquina de CNC Se asocia a la tecnología CAD para la manufactura asistida. Los costos de implantación de los subsistemas son elevados La calidad del producto se incrementa hasta 5 veces más El tiempo de producción es más reducido. Su función básica es controlar la operación de una máquina herramienta Permite la reducción de personal operador Los costos de adquisición y mantenimiento son elevados
De lo anterior se desprende que los sistemas mencionados guardan una estrecha relación en cuanto a su integración para los procesos productivos donde se apliquen, no obstante, no deben malinterpretarse como un sistema global, a pesar de que como se indicó en apartados anteriores la tecnología CAE y CIM pueden abarcar muchos o incluso la totalidad de los sistemas en un proceso automatizado, pero en la mayoría de los casos es común una integración parcial de las tecnologías citadas, ello debido a los 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. Sistema CIM CIM incluye todas las actividades desde la percepción de la necesidad de un producto, su concepción, diseño y desarrollo; así como también la producción, marketing y soporte del mismo. El diseño del producto puede realizarse en el computador con diversos sistemas, como son el CAD, CAE y el CAPP. El CAE como se indico en apartados anteriores es la tecnología que analiza un diseño y simula su operación para determinar su apego a las condiciones de diseño y sus capacidades. Por su parte, el CAPP (Computer Aided Process Planning), o planificación de procesos asistida por computador, es un sistema experto que captura las capacidades de un ambiente manufacturero especifico y principios manufactureros ingenieriles, con el fin de crear un plan para la manufactura física de una pieza previamente diseñada. Este plan especifica la maquinaria que se ocupara en la producción de la pieza, la secuencia de operaciones a realizar, las herramientas utilizar, entre otros aspectos de interés. 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 planos, listas de materiales, hojas de ruta y algún otro dato necesario. El rendimiento de la fabricación puede ser mejorado si, al diseñar un determinado artículo, se tienen en cuenta al mismo tiempo las características del proceso de producción o sus fases, las capacidades de las máquinas, los cambios de herramientas, las necesidades de ajustes de soporte, el montaje, etc. Las tecnologías de fabricación estudian los procesos de conformado que sufre un material, desde que ha sido elaborado en bruto hasta que sale transformado en un producto acabado. Tal es 5
el caso del sistema CIM, cuyas fases de estructuración se resumen en la figura 2. CIM Diseño Fabricación Control y Calidad CAD Robótica Metrología - Obra civil - Presentaciones realistas de productos, entre otros. Las herramientas CAD se adaptan a las distintas necesidades. Etapas de los sistemas CAD/ CAM Diseñar CAD (Drawing) CAM (Manufacturing) Generación de programas de CNC Normalización Automatización CAM Visión Artificial Modificar Acotar Transferir programas de CN Simulación de trayectorias de corte CNC Rotular Selección de herramientas Máq. Herramienta Aplicaciones fundamentales de los sistemas CAD Los campos de aplicación de la tecnología CAD es cada vez más expansivo, pues en todo proceso productivo se parte de la etapa de 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 De manera general, se puede decir que los sistemas CAD/ CAM ayudan al programador en tres áreas principales: - Evita realizar cálculos matemáticos manualmente - Permite programar automáticamente diferentes tipos de máquinas usando el mismo lenguaje básico - Ayuda con ciertas funciones básicas de maquinado 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
muy similares que deben cumplirse independientemente del software que se esté utilizando. Estos pasos son: - 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 Más explícitamente, en los sistemas CAD/ CAM el flujo de datos se desarrolla de la siguiente manera: Flujo de información en sistema CAD/ CAM Figura 3. Proceso CAD/ CAM Figura 4. Flujo de datos en sistema CAD/ CAM 7
Procesadores Los programas de CAD/ CAM realizan cálculos trigonométricos, elaboran las instrucciones de desplazamiento de todos los ejes, calculan velocidades de corte y del husillo, y genera todas las ordenes de accionamiento para el cambio de herramienta, cambio de piezas, refrigerante y muchas más. Pero estos datos no 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. Softwares comerciales de tecnología CAD/ CAM Los siguientes son algunos de los softwares de mayor uso en la industria para sistemas CAD/ CAM: AutoCAD - Desarrollado por Autodesk - Permite el modelado en 2D y 3D bajo diversos estilos visuales. - Brinda gran precisión de diseño. NC Vision - Desarrollado por Computevision - Posee un programa propio de CAD - 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. 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. Sistema CAE Ya sea hecho referencia en repetidas oportunidades acerca de lo que CAE significa y su función dentro del sistema CIM, a 8
continuación se detalla los alcances posibles mediante esta tecnología, considerando los posibles puntos de partida para la misma. Datos de partida Análisis realizables Geometría de la pieza o del conjunto 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. 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 rige todos los lenguajes programáticos: las referencias. Tales referencias no son más que la descripción de ubicación o movimiento del cuerpo mediante la identificación de cada punto de su trayectoria en el espacio, lo cual se conoce como coordenadas. 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
Figura 5. Sistemas de coordenadas Sistema de coordenadas polares Según la necesidad de detalle del elemento del cual se requiera representar sus puntos en el plano, se utiliza en muchas ocasiones el sistema de coordenadas polares. En este sistema se necesitan un ángulo (ᶲ) y una distancia (r), los cuales conforman un vector unitario que indique la dirección del elemento. Técnicas de programación Todo sistema automatizado 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 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. - Solo puede ser usado cuando se trata de piezas con geometría simple. - El proceso de programación consume gran cantidad de tiempo y es laborioso. - Existen altas posibilidades de cometer errores. Sin embargo, es importante señalar que la programación manual siempre debe ser considerada como un pilar básico en la formación de cualquier programador, ya que siempre se necesitara tener los conceptos 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
Figura 6. Programación manual CN Programación conversacional - En este tipo de programación el programa es creado directamente en la máquina (taller de trabajo) y la principal ventaja 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. 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 el mismo lenguaje básico y ayuda con cierta funciones básica de maquinado. - 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. 11
- 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 Definición del Producto Creación del modelo Construcción del prototipo Análisis y optimización del modelo Figura 8. Programación manual Vs.CAD/ CAM Ensayo y optimización del prototipo Documentación Diseño de producto asistido por ordenador El proceso de diseño del producto se puede descomponer en las siguientes fases: - Definición del producto - Creación de un modelo - Análisis y optimización del modelo - Construcción de un prototipo - Ensayos y optimización del prototipo Fabricación Figura 9. Fases del diseño de un producto. 12
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. 13