Hardware y Software CAD/CAM

2 Hardware y Software CAD/CAM En esta unidad se pretende revisar las principales características del hardware y software CAD/CAM, para proporcionar los conocimientos necesarios que permitan la evaluación de sistemas. 1. Introducción 2. Tipos de sistemas 3. Criterios de evaluación 4. Hardware 5. Software 6. Estándares 7. Otros conceptos 1. Introducción Sistemas más potentes con gráficos de altas prestaciones Diferencias resto de sistemas: Hardware: dispositivos específicos de entrada y salida Software: interacción mediante interfaces de usuario gráficas Tendencias: Sistemas cerrados arquitecturas abiertas, SO s estándar, redes Funciones software componentes hardware (firmware) Desarrollo de los sistemas basados en microcomputadores 2. Tipos de Sistemas Según el tipo de host: Main-Frames: ordenador central y varios terminales gráficos conectados. Habituales en los inicios (70 s 80 s) pero en desuso actualmente. Minicomputadores: Sustituyeron a los Main-Frames También están en desuso. Workstations: Altas prestaciones con un coste medio. Unix (multitarea), red. Arquitecturas de 64 bits. Aplicaciones que requieren gran potencia de calculo. Sun, HP, Intergraph, Silicon Graphics, etc. Microcomputadores: PC s y Mac s. Prestaciones medias altas, coste bajo. Integración en redes. 1

3. Criterios de Evaluación La gran diversidad y disparidad de sistemas existente hacen necesario disponer de una guía para realizar la evaluación. Los aspectos a considerar son: Consideraciones sobre el sistema: Hardware: arquitecturas abiertas, estándares. Expandibilidad y Red. Periféricos disponibles. Software: Sistema Operativo, Interfaz de Usuario, Documentación. Capacidad de integración con otras aplicaciones. Mantenimiento: Reparación del hardware y actualización del software Alrededor del 10% del coste inicial cada año. Servicio de soporte: formación, servicio técnico. Tiempo de respuesta. Capacidad de modelado: Representación: núcleo del sistema. Modelos alámbricos, superficies, sólidos. Entidades simples (líneas, círculos, cilindros, esferas) y complejas (Nurbs, Blobs) Sistemas de Coordenadas: S.C. de usuario, cartesianas, cilíndricas, esféricas. Edición y Manipulación de entidades: intersección, recortado, proyección, traslaciones, escalados, rotaciones, copias, mirror, offset, Formatos soportados: Integración, transferencia de información Diseño de documentación: Generación de planos: según normas estándar, acotación, tolerancias, notas, etiquetas. Tarea muy costosa Aplicaciones: Ensamblaje y combinación de modelos Aplicaciones de análisis: calculo de masas, análisis de tolerancias, modelado y análisis de elementos finitos, modelado y análisis de inyección, modelado y análisis de mecanismos. Cualidades, integración e interfaces con BD. Aplicaciones de fabricación: Generación y verificación de trayectorias de herramienta, postprocesadores, planificación de procesos, tecnología de grupos, gestión de producción, etc. Integración. Lenguajes de programación: Librerías sobre C, Basic, Lisp, Fortram, etc. 2

4. Hardware La característica fundamental de los sistemas CAD/CAM en lo que se refiere al hardware es que son sistemas con gran capacidad de cálculo y, sobre todo, con subsistemas gráficos de altas prestaciones. Otra característica diferenciadora es el uso de dispositivos específicos de entrada y salida, por las necesidades que la funcionalidad de estos sistemas requiere. La figura 2.1 presenta la estructura general de un sistema CAD/CAM. Sistemas CAD/CAM Hardware Software Dispositivos no-gráficos Dispositivos Gráficos Procesador gráfico Dispositivos de entrada Dispositivos de salida (Dispositivos de visualización) Figura 2.1. Estructura general de un sistema CAD/CAM Como se muestra en la figura 2.1, un dispositivo gráfico se compone de un procesador gráfico y varios dispositivos de entrada y salida. Algunos de estos dispositivos ya han sido presentados en la asignatura de Informática Gráfica. En este tema se presentan ciertos dispositivos de entrada/salida específicos y otros dispositivos habituales en los sistemas de CAD/CAM: DISPOSITIVOS DE ENTRADA Digitalización 2D: Permiten adquirir las coordenadas x e y de objetos planos, normalmente impresos en documentos de papel. Entre estos dispositivos se encuentran las tabletas digitalizadoras, en las que la digitalización se realiza fijando el papel a la tableta y marcando los puntos deseados. En este grupo se encuentran también los escáneres y capturadoras de imagen. La digitalización en este caso se realiza superponiendo la imagen adquirida con la aplicación de modelado, de tal forma que los pixeles de dicha imagen se utilizan como referencia para la creación de las entidades del modelo. Digitalización 3D: En este caso se trata de obtener la geometría tridimensional de un objeto. Para ello será necesario conocer las coordenadas x, y, z de los vértices del objeto. Para adquirir dichas coordenadas se utilizan distintas técnicas y dispositivos entre los que están el palpador 3D, los sistemas basados en vídeo, y los sistemas basados en láser. 3

Dispositivos táctiles: Proporcionan al usuario la sensación de contacto físico. Estas sensaciones se producen mediante un sistema de realimentación de la fuerza que se produciría si se estuviese manejando un objeto real en lugar de un modelo geométrico. Dispositivos de seguimiento y captura del movimiento: (tracking) Utilizan sistemas electromagnéticos, ultrasónicos, ópticos o mecánicos para determinar la posición y orientación del objeto que esta siendo rastreado. Se utilizan habitualmente en aplicaciones de animación para capturar movimientos reales complejos (rotoscopia), en los dispositivos de visualización montados sobre la cabeza o en los guantes de datos. Guantes de datos: Están equipados con sensores en cada articulación que miden los ángulos para determinar la posición y orientación de mano y los dedos. La posición global de la mano se determina mediante un sistema de tracking. La información generada por el guante de datos suele ser regenerada de forma gráfica mostrando de forma dinámica los movimientos del usuario. DISPOSITIVOS DE SALIDA Dispositivos de visualización montados sobre la cabeza: (head-mounted displays o HMD) son dispositivos de visualización inmersiva. Habitualmente están montados dentro de cascos o gafas. Contienen dos pequeños displays, uno enfrente de cada ojo, sobre los que se proyectan imágenes en estéreo. Incorporan un sistema inalámbrico de tracking, de manera que la visualización cambia de acuerdo con el movimiento de la cabeza. Existen versiones sencillas que no son tan inmersivas, habitualmente gafas, donde se proyecta una única imagen (no tiene estereoscopia), sin sistema de tracking y que en algunos casos permiten cierto grado de transparencia en los displays para superponer imagen sintética sobre la realidad. Impresoras de hologramas: Imprimen escenas tridimensionales compuestas de miles de imágenes individuales generadas desde distintos puntos de vista. La impresión se realiza sobre un material fotográfico especial. Dispositivos de fabricación rápida de prototipos: Producen prototipos reales en tres dimensiones en un corto espacio de tiempo. Estos prototipos son pequeñas figuras de resina o polímeros con la forma del modelo geométrico a partir del cual se generan en un solo paso. Existen varias tecnologías para generarlos, entre las que se encuentra la estéreo-litografía, el sinterizado o el laminado. OTROS DISPOSITIVOS La tecnología CAD/CAM implica el manejo y conocimiento de otros dispositivos específicos como son: Trazadores de corte: son dispositivos similares a los trazadores presentados en el capitulo anterior, con la diferencia de que en lugar de incorporar un cabezal de dibujo, tienen una herramienta de corte. Habitualmente trabajan sobre materiales plásticos, vinilo o papel. 4

Máquinas herramienta: Son las máquinas sobre las que se ejecutan los programas de control numérico generados en los sistemas CAD/CAM. Existen multitud de tipos y modelos en el mercado para satisfacer los requerimientos de todas las posibles aplicaciones industriales. Las más habituales son: Fresadoras: Se utilizan para mecanizar superficies libres y contornos de cualquier tipo. Tornos: Se utilizan para mecanizar piezas cuya geometría ha sido generada por revolución de un perfil o contorno alrededor de un eje. Taladradoras: se utilizan para hacer agujeros. Robots: Normalmente se trata de dispositivos homomorfos porque imitan la forma de un brazo humano. En el extremo de dicho brazo se les acopla una herramienta que puede servir para cortar, soldar, pintar, manipular, etc. Se programan mediante aplicaciones que permiten especificar la trayectoria de la herramienta y la operación a realizar. Dispositivos de transporte automatizados: Se utilizan dentro de las células de fabricación flexible para transportar las piezas sobre las que se tiene que realizar alguna operación como su ensamblado o manipulación por robots u otras máquinas, su inspección por un sistema automatizado, etc. Máquinas de inyección: utilizan complejos moldes mecánicos en los que inyectan materiales plásticos a alta temperatura y presión para formar las piezas de materiales plásticos. HMD Palpador 3D Digitalización 3D por láser 5

2. H A R D W A R E Y S O F T W A R E C A D / C A M Digitalización 3D por vídeo Plotter de corte Máquina Herramienta Robot Figura 2.2 Algunos dispositivos CAD/CAM 6

5. Software Proporciona las herramientas necesarias para desarrollar trabajos técnicos de forma eficiente. Cualquier herramienta que contribuya a la reducción del coste temporal y económico de desarrollo de un producto y/o aumento en la calidad del producto se puede considerar software de CAD/CAM. La clave fundamental del CAD son las herramientas que permiten la creación y manipulación interactiva del modelo que se está diseñando. Dentro del software de CAD se encuentran las aplicaciones de CAE que permiten el análisis de la geometría del diseño y su evaluación, según los requerimientos especificados en la fase de diseño. Estas aplicaciones permiten realizar la optimización de los producto siguiendo criterios tanto de diseño como de fabricación. Ejemplos de este tipo de herramientas son las aplicaciones de análisis por el método de elementos finitos o las aplicaciones de simulación existentes en la mayoría de las disciplinas de la industria. De igual manera, cualquier herramienta que facilite el proceso de fabricación se puede considerar como software de CAM. Es decir, cualquier aplicación relacionada con la planificación, gestión y control de operaciones de una planta de producción, tanto de forma directa como indirecta, se puede considerar software de CAM. Por ejemplo, una aplicación que genere un plan de procesos para fabricar un producto es software de CAM. Otro ejemplo típico son las herramientas que generan los programas que controlan las maquinas herramienta de control numérico o los robots industriales. Estas herramientas suelen, además, simular el funcionamiento del programa en una fase previa a su implantación en la maquina o robot, verificando la corrección del mismo y anticipándose a problemas de colisiones o roturas que podrían producirse si los programas fueran probados directamente en la planta de producción. La tendencia en estos sistemas se encamina hacia las aplicaciones modulares, capaces de trabajar con una base de datos única e integrada. Un ejemplo típico seria el diseño de circuitos impresos que comienza con un diseño lógico, el cual es evaluado, verificado, simulado y optimizado. Después se procede al diseño físico de la placa, el cual es de nuevo verificado, simulado y optimizado antes de pasar a la fase de producción. Existen multitud de soluciones en el mercado tanto de CAD como de CAM. A pesar de esta diversidad, todas estas herramientas tienen ciertas características comunes entre las que se pueden citar las siguientes: Desarrolladas en lenguajes de programación estándar, sobre todo C y antes FORTRAN, Pascal y otros. Aplicaciones interactivas con interfaces gráficas. Requieren gran potencia de calculo. Utilizan bases de datos tridimensionales, centralizadas, asociativas e integradas. Contienen toda la información producida durante la fase de diseño y la de fabricación. 7

Aplicaciones complejas formadas por varios módulos y desarrolladas a lo largo de muchos años. Su aprendizaje requiere mucho tiempo y esfuerzo para llegar a ser productivo. Se producen actualizaciones frecuentes. El software de CAD/CAM tiene una estructura genérica formada por módulos comunes que se complementan con módulos de aplicaciones específicos: Sistema Operativo: Manejo de cuentas, ficheros, directorios, editores. Módulo Gráfico: funciones de modelado geométrico, construcción, edición y manipulación de entidades geométricas, dibujo de planos y documentación. Módulo de aplicaciones: Distintos módulos según área (mecánica, arquitectura, animación, electricidad etc.) Aplicaciones típicas en mecánica: Aplicaciones de diseño: modelado, calculo de masas, ensamblaje, tolerancia, elementos finitos, análisis de mecanismos, animación, simulación y análisis de inyección de plásticos y moldes. Aplicaciones fabricación: planificación de procesos, control numérico, programación y simulación de robots y tecnología de grupos. Módulo de programación: Herramientas de programación estándar para cálculos y gráficos. Módulo de comunicaciones: Vital para la integración, para conectar los diversos módulos del sistema y para transferir información entre sistemas. Los usuarios del software CAD/CAM se pueden clasificar en tres grupos: Operadores: Son la mayoría de usuarios incluyendo ingenieros, diseñadores, delineantes, etc. Suelen ser especialistas en unos pocos módulos y cuentan con el soporte del administrador del sistema y del proveedor (hot-line). Programadores de aplicación: Desarrollan pequeñas aplicaciones y las enlazan con los módulos existentes pero no pueden modificar el código fuente. Personalizan las aplicaciones para adaptarlas a las necesidades particulares de una empresa. Suelen ser programadores que además son usuarios expertos del sistema. Utilizan los módulos de programación del sistema. Trabajan en grandes empresas que utilizan mucho un sistema o en empresas de servicios. Programadores del sistema: Son los que crean y desarrollan el sistema completo. Son conocedores de la estructura interna del software, de la estructura de la base de datos y del sistema de gestión de la misma. Deben tener conocimientos de gráficos, ingeniería y por supuesto de programación. Trabajan en empresas proveedoras de sistemas o en grupos de I+D. 8

6. Estándares El uso de estándares resulta necesario para conseguir que las aplicaciones sean independientes de los dispositivos. Esto supone las siguientes ventajas: Portabilidad SW Portabilidad gráficos Portabilidad del texto Portabilidad B.D. Existen varios tipos de estándares relevantes para los sistemas de CAD/CAM. Estos se pueden agrupar en estándares gráficos, de intercambio de datos y de comunicaciones. Todos ellos se estudiaran con detalle en un tema posterior. Los trabajos relativos a estándares comenzaron en 1974 en el GSPC (Graphics Standards Planning Committee). El objetivo de este comité era el de que las aplicaciones se ajustaran al siguiente diagrama: Estándares gráficos : Sistema Gráfico Datos del modelo Aplicación A Núcleo del sistema B Controladores de dispositivos Dispositivos de E/S La aplicación invoca las funciones gráficas a través de la interface A. Dichas funciones realizan las tareas requeridas por la aplicación a través de la interface B mediante llamadas a los controladores de dispositivos. Algunos de los estándares desarrollados son los siguientes: GKS: Graphic Kernel System PHIGS: Programmers Hierarchical Interactive Graphics System IGES: Initial Graphics Exchange Specification DXF: Data Exchange File VDA: Verbung Der Automobileindustrie STEP: Standard for Transfer and Exchange of Product Data MAP: Manufacturing Automation Protocol TOP: Technical and Office Protocol X Window, OpenGL, DirectX 9

7. Otros conceptos SISTEMAS DE COORDENADAS: De trabajo (SCT) Del mundo real (SCMR) De pantalla (SCP) SCT: Para facilitar introducción coordenadas. Planta Alzado Perfil Usuario Figura 2.3 Sistemas de coordenadas de trabajo SCMR: S.C. almacenado en B.D. Cartesianas (x,y,z) Cilíndricas (r,θ,z) Esféricas (r,θ, ) SCP: Sistema 2D dependiente del dispositivo MODELADO: Abstracción o representación de un fenómeno. Modelos geométricos permiten reemplazar modelos reales Prototipos no necesarios Modelo geométrico: representación completa de un objeto que incluye información geométrica y no geométrica 10

TIPOS DE OBJETOS 2D 2½D 3D PASOS PARA CONSTRUIR UN MODELO Crear un nuevo modelo vacío. Elegir una distribución de ventanas Asignar vistas a las ventanas Seleccionar los planos de construcción y trabajo a) 2½Dimensiones b) 3 Dimensiones Figura 2.4:Tipos de Objetos Trabajos propuestos: Elegir algún dispositivo CAD/CAM y hacer un estudio de las opciones existentes en el mercado estudiando sus características, funcionalidad, coste, etc. 11