DISEÑO Y FABRICACIÓN ASISTIDOS POR COMPUTADORA

El diseño asistido por computadora (CAD), también conocido como diseño y dibujo asistido por computadora (CADD), involucra todo el espectro del dibujo con la ayuda de una computadora, desde líneas rectas hasta animación personalizada. En la práctica, CAD se refiere al software para el diseño de soluciones de ingeniería y arquitectura, con capacidades de modelado bidimensional y tridimensional.

La fabricación asistida por ordenador (CAM) implica el uso de computadoras para ayudar en cualquier proceso de fabricación, incluida la fabricación flexible y la robótica. A menudo, las salidas de los sistemas CAD sirven como entradas para los sistemas CAM. Cuando estos dos sistemas funcionan en conjunto, el resultado se llama CADCAM y se convierte en parte del proceso de fabricación integrada por computadora (CIM) de una empresa.

Los sistemas CADCAM están diseñados para ayudar en muchos, si no en todos, los pasos del ciclo de vida típico de un producto. El ciclo de vida del producto implica una fase de diseño y una fase de implementación. La fase de diseño incluye identificar las necesidades y especificaciones de diseño; realizar un estudio de viabilidad, documentación de diseño, evaluación, análisis y optimización; y completar el diseño en sí. La fase de implementación incluye la planificación del proceso, la planificación de la producción, el control de calidad, el embalaje, la comercialización y el envío.

Los sistemas CAD pueden ayudar con la mayoría de los procesos de la fase de diseño, mientras que los sistemas CAM pueden ayudar con la mayoría de los procesos de implementación. Las contribuciones de los sistemas CAD y CAM se describen a continuación.

SISTEMAS CAD

Los sistemas CAD son una forma especializada de software gráfico, y por lo tanto deben adherirse a los principios básicos de la programación gráfica. Todos los programas gráficos funcionan en el contexto de un dispositivo gráfico (por ejemplo, una ventana en un monitor, una impresora o un trazador). Las imágenes gráficas se dibujan en relación con un sistema de coordenadas 2-D o 3-D, de los cuales hay varios tipos.

Un sistema de coordenadas de dispositivo es 2-D y asigna imágenes directamente a los puntos (píxeles) del dispositivo de hardware. Para facilitar gráficos independientes del dispositivo, un sistema de coordenadas de dispositivo virtual abstrae los puntos 2D en un marco lógico.

Por supuesto, los dispositivos que se diseñan generalmente son objetos en 3D, que también requieren un sistema de coordenadas de mundo para representar el espacio en el que residen los objetos, y un sistema de coordenadas de modelo para representar cada uno de los objetos en ese espacio. El software CAD incluye algoritmos para proyectar los modelos 3D en los sistemas de coordenadas de dispositivos 2D y viceversa.

Los sistemas CAD incluyen varias funciones de dibujo primitivas, incluidas líneas, polígonos, círculos y arcos, rectángulos y otras formas simples. A partir de estas primitivas, se pueden construir compuestos 3D, que incluyen cubos, pirámides, conos, cuñas, cilindros y esferas. Estas formas se pueden dibujar en cualquier color y rellenar con colores sólidos u otros patrones (llamados eclosión). Además, las formas básicas se pueden alterar mediante fileteado (redondeo) o biselado (segmentación de líneas).

Basándose en la manipulación de formas básicas, los diseñadores construyen modelos de objetos. Un modelo de forma de alambre esquelético es una representación en 3D que muestra todos los bordes y características como líneas. Un modelo de aspecto más realista se llama modelo sólido, que es un modelo 3D del objeto que se diseña como un todo unitario que no muestra características ocultas. El modelo sólido representa un volumen cerrado. Incluye información de superficie y datos que determinan si el volumen cerrado contiene otros objetos o entidades.

El modelado sólido implica funciones para crear formas en 3D, combinar formas (a través de operaciones de unión, intersección y diferencia), barrido (traslacional y rotacional) para convertir formas simples en formas más complejas, pelado (para la creación de texturas de superficie) y varias funciones de creación de límites. El modelado sólido también incluye la parametrización, en la que el sistema CAD mantiene un conjunto de relaciones entre los componentes de un objeto para que los cambios se puedan propagar a las siguientes construcciones.

Las formas comunes se construyen en entidades (p. ej., ranuras, agujeros, bolsillos), que luego se pueden incluir en un modelo sólido de un objeto. La representación de características ayuda al usuario a definir partes. También simplifica el diseño de software CAD porque las características son más fáciles de parametrizar que las interacciones explícitas. Los objetos construidos a partir de entidades se denominan partes. Dado que un producto que se está diseñando se compone de varias partes, muchos sistemas CAD incluyen un modelo de ensamblaje útil, en el que se hace referencia a las partes y se almacenan sus relaciones geométricas y funcionales.

Los modelos CAD se pueden manipular y visualizar en una amplia variedad de contextos. Se pueden ver desde cualquier ángulo y perspectiva deseada, se pueden romper o cortar, e incluso se pueden someter a pruebas de simulación para analizar fortalezas y defectos de diseño. Las piezas se pueden mover dentro de sus sistemas de coordenadas a través de operaciones de rotación, que proporcionan diferentes perspectivas de una pieza, y traducción, que permite que la pieza se mueva a diferentes ubicaciones en el espacio de vista. Además, los sistemas CAD proporcionan una valiosa funcionalidad de dimensionamiento, que asigna valores de tamaño en función del dibujo del diseñador.

El movimiento de estas imágenes es una forma de animación. A menudo, los sistemas CAD incluyen tecnología de realidad virtual, que produce imágenes animadas que simulan una interacción del mundo real con el objeto que se está diseñando. Por ejemplo, si el objeto es un edificio, el sistema de realidad virtual puede permitirle visualizar la escena como si estuviera caminando por el interior y el exterior del edificio, lo que le permite ver dinámicamente el edificio desde una multitud de perspectivas. Para producir efectos realistas, el sistema debe representar los efectos esperados de la luz que se refleja en la superficie a medida que se mueve a través del espacio de visión del usuario. Este proceso se llama renderizado.

La tecnología de renderizado incluye instalaciones para sombreado, reflexión y trazado de rayos. Esta técnica, que también se utiliza en videojuegos sofisticados, proporciona una imagen realista del objeto y, a menudo, ayuda a los usuarios a tomar decisiones antes de invertir dinero en la construcción de edificios. Algunas interfaces de realidad virtual implican algo más que estímulos visuales. De hecho, permiten al diseñador sumergirse completamente en el entorno virtual, experimentando una interacción cinestésica con el dispositivo diseñado.

Algunos sistemas CAD van más allá de ayudar en el diseño de piezas e incluyen funcionalidad para probar un producto contra tensiones en el entorno. Utilizando una técnica llamada método de elementos finitos (MEF), estos sistemas determinan el estrés, la deformación, la transferencia de calor, la distribución del campo magnético, el flujo de fluidos y otros problemas de campo continuo.

El análisis de elementos finitos no se ocupa de todos los detalles de diseño, por lo que en lugar del modelo sólido completo se utiliza una malla. La generación de mallas implica computar un conjunto de elementos simples que dan una buena aproximación de la parte diseñada. Un buen mallado debe dar lugar a un modelo analítico de precisión suficiente para el cálculo de MEM, pero con un número mínimo de elementos para evitar una complejidad innecesaria.

Además de FEM, algunos sistemas CAD proporcionan una variedad de técnicas de optimización, incluyendo recocido simulado y algoritmos genéticos (tomados del campo de la inteligencia artificial). Estos métodos ayudan a mejorar la forma, el grosor y otros parámetros de un objeto diseñado, al tiempo que satisfacen las restricciones definidas por el usuario (por ejemplo, niveles de esfuerzo permitidos o limitaciones de costos).

Cuando un diseñador utiliza CAD para desarrollar un diseño de producto, estos datos se almacenan en una base de datos CAD. Los sistemas CAD permiten un proceso de diseño en el que los objetos se componen de subobjetos, que se componen de componentes más pequeños, etc. Por lo tanto, las bases de datos CAD tienden a estar orientadas a objetos. Dado que los diseños CAD pueden necesitar ser utilizados en sistemas CAM, o compartidos con otros diseñadores CAD utilizando una variedad de paquetes de software, la mayoría de los paquetes CAD aseguran que sus bases de datos se ajusten a uno de los formatos de datos CAD estándar. Uno de estos estándares, desarrollado por el Instituto Nacional de Estándares de Estados Unidos (ANSI), se llama Especificación de Intercambio de Gráficos Iniciales (IGES).

Otro formato de datos es DXF, que es utilizado por el popular software AutoCAD y se está convirtiendo en un estándar de facto de la industria. La capacidad de convertir de un formato de archivo a otro se llama intercambio de datos, y es una característica común de muchos paquetes de software CAD.

Los sistemas CAD modernos ofrecen una serie de ventajas a diseñadores y empresas. Por ejemplo, permiten a los usuarios ahorrar tiempo, dinero y otros recursos al generar automáticamente componentes estándar de un diseño, permitir la reutilización de componentes diseñados previamente y facilitar la modificación del diseño. Esos sistemas también prevén la verificación de los diseños en función de las especificaciones, la simulación y el ensayo de los diseños, y la salida de los diseños y la documentación de ingeniería directamente a las instalaciones de fabricación. Si bien algunos diseñadores se quejan de que las limitaciones de los sistemas CAD a veces sirven para frenar su creatividad, no hay duda de que se han convertido en una herramienta indispensable en el diseño eléctrico, mecánico y arquitectónico.

SISTEMAS CAM

El proceso de fabricación incluye la planificación del proceso, la planificación de la producción (que incluye la adquisición de herramientas, el pedido de materiales y la programación de control numérico), la producción, el control de calidad, el embalaje, la comercialización y el envío. Los sistemas CAM ayudan en todos los pasos de este proceso, excepto en los dos últimos. En los sistemas CAM, el ordenador interactúa directa o indirectamente con los recursos de producción de la planta.

La planificación de procesos es una función de fabricación que establece qué procesos y parámetros se deben utilizar, así como las máquinas que realizan estos procesos. Esto a menudo implica preparar instrucciones de trabajo detalladas para las máquinas para ensamblar o fabricar piezas. Los sistemas de planificación de procesos asistida por computadora (CAPP) ayudan a automatizar el proceso de planificación desarrollando, basándose en la clasificación familiar de la pieza que se está produciendo, una secuencia de operaciones necesarias para producir esta pieza (a veces llamada enrutamiento), junto con descripciones de texto del trabajo a realizar en cada paso de la secuencia. A veces, estos planes de proceso se construyen en base a datos de las bases de datos CAD.

La planificación de procesos es un problema de programación difícil. Para un procedimiento de fabricación complejo, podría haber un gran número de posibles permutaciones de tareas en un proceso que requiera el uso de métodos de optimización sofisticados para obtener el mejor plan de proceso. A menudo se emplean técnicas como algoritmos genéticos y búsqueda heurística (basada en inteligencia artificial) para resolver este problema.

La aplicación CAM más común es el control numérico (NC), en el que las instrucciones programadas controlan las máquinas herramienta que muelen, cortan, fresan, perforan o doblan el material crudo en productos terminados. A menudo, el NC ingresa especificaciones de una base de datos CAD, junto con información adicional del operador de la máquina herramienta. Una máquina herramienta NC típica incluye una unidad de control de máquina (MCU) y la máquina herramienta en sí. La MCU incluye una unidad de procesamiento de datos (DPU), que lee y decodifica instrucciones de un programa de piezas, y una unidad de bucle de control (CLU), que convierte las instrucciones en señales de control y opera los mecanismos de accionamiento de la máquina herramienta.

El programa de piezas es un conjunto de declaraciones que contienen información geométrica sobre la pieza e información de movimiento sobre cómo debe moverse la herramienta de corte con respecto a la pieza de trabajo. La velocidad de corte, la velocidad de avance y otra información también se especifican para cumplir con las tolerancias de pieza requeridas. La programación de piezas es toda una disciplina técnica en sí misma, que requiere un lenguaje de programación sofisticado y puntos de referencia del sistema de coordenadas. A veces, los programas de piezas se pueden generar automáticamente a partir de bases de datos CAD, donde las especificaciones geométricas y funcionales del diseño CAD se traducen automáticamente en las instrucciones del programa de piezas.

Los sistemas de control numérico están evolucionando hacia una tecnología más sofisticada llamada creación rápida de prototipos y fabricación (RP&M). Esta tecnología implica tres pasos: formar secciones transversales de los objetos a fabricar, colocar secciones transversales capa por capa y combinar las capas. Este es un enfoque de fabricación sin herramientas que es posible gracias a la disponibilidad de sistemas CAD de modelado sólido. RP& M se utiliza a menudo para evaluar diseños, verificar especificaciones funcionales e ingeniería inversa.

Por supuesto, los sistemas de control de máquinas se utilizan a menudo junto con la tecnología robótica, haciendo uso de inteligencia artificial y capacidades físicas humanoides controladas por computadora (por ejemplo, destreza, movimiento y visión). Estos «trabajadores de cuello de acero» aumentan la productividad y reducen los costos al reemplazar a los trabajadores humanos en entornos repetitivos, mundanos y peligrosos.

Los sistemas CAM a menudo incluyen componentes para automatizar la función de control de calidad. Esto implica evaluar las especificaciones de productos y procesos, probar los materiales entrantes y los productos salientes, y probar el proceso de producción en curso. Los sistemas de control de calidad a menudo miden los productos que salen de la línea de montaje para garantizar que cumplen con las especificaciones de tolerancia establecidas en las bases de datos CAD. Producen informes de excepciones para los gerentes de la línea de montaje cuando los productos no cumplen con las especificaciones.

En resumen, los sistemas CAM aumentan la eficiencia de fabricación al simplificar y automatizar los procesos de producción, mejorar la utilización de las instalaciones de producción, reducir la inversión en inventarios de producción y, en última instancia, mejorar el servicio al cliente al reducir drásticamente las situaciones de agotamiento de existencias.

JUNTÁNDOLO TODO: FABRICACIÓN INTEGRADA POR COMPUTADORA

En un sistema CADCAM, una pieza se diseña en la computadora (a través de CAD) y luego se transmite directamente a las máquinas herramienta impulsadas por computadora que fabrican la pieza a través de CAM. Dentro de este proceso, habrá muchos otros pasos computarizados en el camino. Todo el ámbito del diseño, el manejo de materiales, la fabricación y el embalaje a menudo se conoce como fabricación integrada por computadora (CIM).

CIM incluye todos los aspectos de CAD y CAM, así como la gestión de inventario. Para mantener bajos los costos, las empresas tienen una fuerte motivación para minimizar los volúmenes de stock en sus almacenes. Las políticas de inventario justo a tiempo (JIT) se están convirtiendo en la norma. Para facilitar esto, CIM incluye la planificación de requisitos de materiales (MRP) como parte de su configuración general. Los sistemas MRP ayudan a planificar los tipos y cantidades de materiales que se necesitarán para el proceso de fabricación. La fusión de MRP con la programación de producción y el control de la planta de producción de CAM se denomina planificación de recursos de fabricación (MRPII). Por lo tanto, la fusión de MRP con sistemas CADCAM integra las funciones de producción y control de inventario de una organización.

Las industrias actuales no pueden sobrevivir a menos que puedan introducir nuevos productos con alta calidad, bajo costo y corto plazo de entrega. Los sistemas CADCAM aplican tecnología informática para hacer realidad estos requisitos y prometen ejercer una gran influencia en los procesos de diseño, ingeniería y fabricación en el futuro previsible.