Unidad 1 Introducción al CAD CAM CAE

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
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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
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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
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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.
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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:
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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
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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
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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
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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
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Figura 4. Flujo de datos en sistema CAD/ CAM
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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
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que CAE significa y su función dentro del sistema CIM, a
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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