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SOFTWARE Y HARDWARE DE LOS SISTEMAS CAD/CAE

Jorge Salazar Alcaraz

INSTITUTO TECNOLGICO DE COLIMA

Departamento de Ingeniera Mecatrnica

Av. Tecnolgico No. 1 Col. Liberacin, C.P. 28976. Tel. 312 63 93

Villa de lvarez, Colima, Mxico. [jsa-147852@hotmail.com]

Resumen. El presente trabajo representa una bsqueda bibliogrfica donde se sealan, describen y analizan

los puntos ms sobresalientes del Software y Hardware de los sistemas CAD/CAE, considerando las

herramientas, dispositivos o aplicaciones ms indispensables de stos. Adems, se anexa una introduccin

sobre conceptos relacionados a estos sistemas para el previo conocimiento e interpretacin y se mencionan

algunos ejemplos ms utilizados a nivel nacional de estos programas.

Palabras Clave. Software, Hardware, Ingeniera, Sistemas, Diseo Avanzado, Ordenador, Representacin,

Diseo Asistido por Computadora, Tecnologa, Ingeniera Asistida por Computadora, Geometra, Clculo

Matemtico, Lenguajes de Ingeniera, Computador.

1. INTRODUCCIN. La automatizacin de los procesos a travs de los aos ha dado lugar a un avance espectacular de la industria.

Todo ello ha sido posible gracias a una serie de factores entre los que se encuentran las nuevas tecnologas en

el campo mecnico, la introduccin de los computadores, y sobre todo el control y la regulacin de sistemas y

procesos.

El computador es conocido como un potencial recurso tecnolgico que desde su invencin ha marcado la

diferencia en cuanto a las mltiples actividades que puede desarrollar el operador. Desde tareas muy sencillas

a procesos manualmente difciles, han sido llevados a cabo en ordenadores con cantidades de tiempo cada vez

menor, lo cual se traduce en practicidad, confiabilidad y precisin, dado que adems 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 da a da son ms los procesos productivos donde se involucra el sistema inteligente para

ejecutar las actividades operativas. Incluso desde la simple concepcin de la idea, hasta la entrega de un

producto terminado, se recurre al uso del computador mediante los distintos programas o softwares y dems

paquetes informticos necesarios para tal fin.

2. DESARROLLO. 2.1. Hardware de los Sistemas CAD/CAE.

La caracterstica fundamental de los sistemas CAD en lo que se refiere al hardware es que son sistemas

con gran capacidad de clculo, y sobre todo, con subsistemas grficos de altas prestaciones. Otra

caracterstica diferenciadora es el uso de dispositivos especficos de entrada y salida, por la necesidad que la

funcionalidad de estos sistemas requiere. [1]

Figura 1 Estructura general de un Sistema CAD.

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Un dispositivo grfico se compone de un procesador grfico y varios dispositivos de entrada y salida. [1]

2.1.1. Dispositivos de entrada. Digitalizacin 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

digitalizacin se realiza fijando el papel a la tableta y marcando los puntos deseados. En este grupo se

encuentran tambin los escneres y capturadoras de imagen. La digitalizacin en este caso se realiza

superponiendo la imagen adquirida con la aplicacin de modelado, de tal forma que los pixeles de dicha

imagen se utilizan como referencia para la creacin de las entidades del modelo. [1, 2]

Digitalizacin 3D: En este caso se trata de obtener la geometra tridimensional de un objeto. Para ello ser

necesario conocer las coordenadas x, y y z de los vrtices del objeto. Para adquirir dichas coordenadas se utilizan distintas tcnicas y dispositivos entre los que estn el palpador 3D, los sistemas basados en vdeos,

y los sistemas basados en lser. [1]

Dispositivos tctiles: Proporcionan al usuario la sensacin de contacto fsico. Estas sensaciones se producen

mediante un sistema de realimentacin de la fuerza que se producira si se estuviese manejando un objeto real

en lugar de un modelo geomtrico. [1]

Dispositivos de seguimiento y captura de movimiento (tracking): Utilizan sistemas electromagnticos,

ultrasnicos, pticos o mecnicos para determinar la posicin y orientacin del objeto que est siendo

rastreado. Se utilizan habitualmente en aplicaciones de animacin para capturar movimientos reales

complejos, en los dispositivos de visualizacin montados sobre la cabeza o en los guantes de datos. [2]

Guantes de datos: Estn equipados con sensores en cada articulacin que miden los ngulos para determinar

la posicin y orientacin de mano y los dedos. La posicin global de la mano se determina mediante un

sistema de tracking. La informacin generada por el guante de datos suele ser regenerada de forma grfica

mostrando de forma dinmica los movimientos del usuario. [1, 2]

2.1.2. Dispositivos de salida. Dispositivos de visualizacin montados sobre la cabeza: Son dispositivos de visualizacin inmersiva.

Habitualmente estn montados dentro de cascos o gafas. Contienen dos pequeos displays, uno enfrente de

cada ojo, sobre los que se proyectan imgenes en estreo. Incorporan un sistema inalmbrico de tracking, de

manera que la visualizacin cambia de acuerdo con el movimiento de la cabeza. Existen versiones sencillas

que no son tan inmersivas, habitualmente gafas, donde se proyecta una nica imagen, sin sistema de tracking

y que en algunos casos permiten cierto grado de transparencia en los displays para superponer imagen

sinttica sobre la realidad. [1, 2]

Impresoras de hologramas: Imprimen escenas tridimensionales compuestas de miles de imgenes individuales

generadas desde distintos puntos de vista. La impresin se realiza sobre un material fotogrfico especial.

Dispositivos de fabricacin rpida de prototipos: Producen prototipos reales en tres dimensiones en un corto

espacio de tiempo. Estos prototipos son pequeas figuras de resina o polmeros con la forma del modelo

geomtrico a partir del cual se generan en un solo paso. Existen varias tecnologas para generarlos, entre las

que se encuentra la estreo-litografa, el sinterizado o el laminado. [2]

2.1.3. Otros dispositivos. La tecnologa CAD implica el manejo y conocimiento de otros dispositivos especficos como son:

Trazadores de corte: Son dispositivos que incorporan un cabezal de dibujo y una herramienta de corte.

Habitualmente trabajan sobre materiales plsticos, vinilo o papel. [1]

Mquinas herramientas: Son las mquinas sobre las que se ejecutan los programas de control numrico generados en los sistemas CAD. Existen multitud de tipos y modelos en el mercado para satisfacer los

requerimientos de todas las posibles aplicaciones industriales.

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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,

etctera. Se programan mediante aplicaciones que permiten especificar la trayectoria de la herramienta y la

operacin a realizar. [2]

Dispositivos de transporte automatizados: Se utilizan dentro de las clulas de fabricacin flexible para

transportar las piezas sobre las que se tiene que realizar alguna operacin como su ensamblado o

manipulacin por robots u otras mquinas, su inspeccin por un sistema automatizado, etctera.

Mquinas de inyeccin: Utilizan complejos de moldes mecnicos en los que inyectan materiales plsticos a

alta temperatura y presin para formar las piezas de materiales plsticos. [1]

Figura 2 Hardware de los Sistemas CAD.

2.2. Software de los Sistemas CAD/CAE. Proporciona las herramientas necesarias para desarrollar trabajos tcnicos de forma eficiente. Cualquier

herramienta que contribuya a la reduccin del coste temporal y econmico de desarrollo de un producto y/o

aumento en la calidad del producto se puede considerar software de CAD. La clava fundamental del CAD son

las herramientas que permiten la creacin y manipulacin interactiva del modelo que se est diseando. [2, 3]

Dentro del software de CAD se encuentran las aplicaciones de CAE que permiten el anlisis de la

geometra del diseo y su evaluacin, segn los requerimientos especificados en la fase de diseo. Estas

aplicaciones permiten realizar la optimizacin de os productos siguiendo criterios tanto de diseo como de

fabricacin. Ejemplos de este tipo de herramientas son las aplicaciones de anlisis por el mtodo de elementos

finitos o las aplicaciones de simulacin existentes en la mayora de las disciplinas de la industria. [4]

La tendencia en estos sistemas se encamina hacia las aplicaciones modulares, capaces de trabajar con una

base de datos nica e integrada. Un ejemplo tpico sera el diseo de circuitos impresos que comienza con un

diseo lgico, el cual es evaluado, verificado, simulado y optimizado. Despus, se procede al diseo fsico de

la placa, el cual es de nuevo verificado, simulado y optimizado antes de pasar a la fase de produccin.

Existen multitud de soluciones en el mercado tanto de CAD como de CAE. A pesar de esta diversidad,

todas estas herramientas tienen ciertas caractersticas comunes entre las que se pueden citar las siguientes:

Desarrolladas en lenguajes de programacin estndar, sobre todo C y antes FORTRAN, Pascal y otros.

Aplicaciones interactivas con interfaces grficas. Requieren gran potencia de clculo. Utilizan bases de datos tridimensionales, centralizadas, asociativas e integradas. Contienen toda la

informacin producida durante la fase de diseo y la de fabricacin.

Aplicaciones complejas formadas por varios mdulos y desarrolladas a lo largo de muchos aos. Su aprendizaje requiere mucho tiempo y esfuerzo para llegar a ser productivo. Se producen actualizaciones frecuentes. [3]

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El software de CAD tiene una estructura genrica formada por mdulos comunes que se complementan

con mdulos de aplicaciones especficos:

Sistema operativo: Manejo de cuentas, ficheros, directorios, editores.

Mdulo grfico: Funciones de modelado geomtrico, construccin, edicin y manipulacin de entidades

geomtricas, dibujo de planos y documentacin.

Mdulo de aplicaciones: Distintos mdulos segn rea (mecnica, arquitectura, animacin, electricidad,

etctera). [1, 3]

Mdulo de programacin: Herramientas de programacin estndar para clculos y grficos.

Mdulo de comunicaciones: Vital para la integracin, para conectar los diversos mdulos del sistema y para

transferir informacin entre sistemas. [2]

Los usuarios del software CAD se pueden clasificar en tres grupos:

Operadores: Son la mayora de usuarios incluyendo ingenieros, diseadores, delineantes, etctera. Suelen ser

especialistas en unos pocos mdulos y cuentan con el soporte del administrador del sistema y del proveedor.

Programadores de aplicacin: Desarrollan pequeas aplicaciones y las enlazan con los mdulos existentes

pero no pueden modificar el cdigo fuente. Personalizan las aplicaciones para adaptarlas a las necesidades

particulares de una empresa. Suelen ser programadores que adems son usuarios expertos del sistema.

Utilizan los mdulos de programacin del sistema. Trabajan en grandes empresas que utilizan mucho un

sistema o en empresas de servicios. [4]

Programadores del sistema: Son los que crean y desarrollan el sistema completo. Son conocedores de la

estructura interna del software, de la estructura con la base de datos y del sistema de gestin de la misma.

Deben tener conocimientos grficos, ingeniera y por supuesto de programacin. Trabajan en empresas

proveedoras de sistemas o en grupos de I+D.

Figura 3 En la primera imagen se observa un software de Diseo Asistido por Computadora (CAD) aplicado a la

Arquitectura, y en la segunda imagen se aprecia un software de Ingeniera Asistida por Computadora (CAE) aplicado a sistemas hidrulicos con su anlisis trmico.

2.3. Tipos de Software CAD/CAE en Mxico. Cualquier tcnico que est trabajando con software o pretenda trabajar con ellos, busca en la web recursos

para iniciarse pero siempre hay una coletilla final en todo programa del tipo software CAD o software CAM pero que significa estas siglas y que le diferencian de un software CAM, por ejemplo. [1, 2]

Software CAD (Computer Aided Design), traducido es diseo asistido por ordenador, este tipo de

software permite el diseo de elementos a travs de un ordenador de manera interactiva y muy dinmica.

Adems permite ensamblar diferentes componentes para as ver las posible interacciones entre ella, un

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programa de estas caractersticas nos permite realizar los planos del conjunto o de la pieza de manera

individual y llevarlos a produccin.

Este tipo de software se usa en mecnica para el diseo de maquinaria, en el campo de electricidad se usa

para el esquema de conexiones y en el campo civil se usa para el diseo de estructuras; hay otros campos en

los que se usa pero estos son los ms representativos.

Algunos de estos tipos de software son CATIA, SOLIDWORKS, Autocad, Inventor etctera en la imagen podemos ver el ensamblado de una motocicleta mediante SolidWorks. [3]

Figura 4 Diseo realizado en software CAD.

Software CAM (Computer Aided Manufacturing), traducido es fabricacin asistida por ordenador, una vez

realizado el modelado CAD pasamos a trabajar con este modelo pero de una manera orientada a la

fabricacin, gracias a esto podemos aplicar las operaciones necesarias hasta obtener dicho modelo partiendo

desde un cubo metlico. [1, 2]

Por lo tanto, nuestro objetivo con este software es obtener el cdigo CNC para introducrselo a la mquina

y con ello realizar las operaciones de manera automtica.

Algunos de este tipo de software son Catia, SolidWorks, NX etctera que te permiten realizar el modelo CAD y luego realizar la simulacin en cuanto al mecanizado. El problema de este software es que no estn

muy especializados y comenten fallos en el clculo de tiempos, para ello existen programas del tipo

WINUNISOFT que te permite optimizar tu cdigo y depurarlo hasta obtener la solucin perfecta. [4]

La siguiente imagen muestra un poco el proceso que se siguen en la fabricacin para manipular una pieza

por CNC desde que es concebida hasta que es ejecutada. [3]

Figura 5 Proceso de un software CAM.

Software CAE (Computer Aided Engineering), traducido es ingeniera asistida por ordenador, su misin

es analizar el modelo trabajado en CAD pero desde un punto de vista de rentabilidad, la viabilidad de su

fabricacin, simulacin etctera de esta manera podemos realizar un estudio con el costo del producto y ver si es o no capaz de hacerse sitio en el mercado. [1]

Algunos de los ms conocidos son ANSYS, ABAQUS o NASTRAN. [2]

La siguiente imagen muestra el anlisis de desplazamiento en una rotula de una direccin mediante el

software ANSYS WORKBENCH.

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Figura 6 Anlisis de desplazamiento en un software CAE.

La siguiente imagen muestra el anlisis tensional de una viga mediante ABAQUS. [2]

Figura 7 Anlisis tensional en un software CAE.

Llegados a este punto seguro que alguno de ustedes le surge la duda del siguiente software, muy conocido

y muy difcil de comprenderMATLAB, Qu tipo de software es Matlab? Matlab no es un programa de diseo al uso sino un programa IDE integrated development environment

que traducido significa entorno de desarrollo integrado. Es un programa matemtico orientado a la

programacin en clculo numrico con un lenguaje propio del tipo M. [3, 4]

3. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS. Como se analiz, los nuevos Ingenieros debemos ser formados con el conocimiento y la capacidad de saber

utilizar herramientas CAD/CAE, demostrando nuestra disposicin de acceder y aplicar tecnologa de punta

disponible en diseo de elementos.

Es indispensable utilizar las herramientas adecuadas a la dinmica de la era actual; esto posibilita la

realizacin fcil de tareas complejas, a un costo que en la actualidad es moderado y plenamente justificado.

En resumen los Sistemas CAD/CAE son tecnologas fundamentales debido a la mejora de la calidad. Los

productos salen de su proceso de fabricacin casi perfectos, la tecnologa CAD/CAE disminuyen al mnimo

los posibles errores de fabricacin, disminucin de costes, tiempos de diseo y produccin. En el producto

final, no es necesario modificar de nuevo, una vez diseado con las potentes herramientas CAD/CAE y

confirmado el producto, se enva a manufacturar.

Hoy en da, la amplia aplicacin de estos sistemas se ve involucrada en reas como la arquitectura,

hidrulica, industria textil, alimenticia, diseo de juguetes, calzado, automotriz, estructural, industrial; lo que

un dominio correcto de estos softwares abre puertas de empleo en diferentes empresas.

A futuro, se tiene la finalidad de comenzar a realizar una serie de prcticas en diferentes softwares que

utilicen los sistemas descritos en estos reportes. Adems, realizar estudios, anlisis y evaluacin de las

herramientas disponibles en la actualidad. Tomando en cuenta una visin en el futuro como Ingeniero en

Mecatrnica.

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4. REFERENCIAS.

[1] Henry Goodstein, David: MARCAMBO Espaa. Sistemas CAD/CAM/CAE: Diseo y fabricacin por

computadora, pp. 48 310 (1998). ISBN: 96-886-1041-0

[2] Henry Goodstein, David: National Composition Association. CAM Systems, pp. 2 33 (1980).

[3] Rajaraman, V: Elsevier Scientific Pub Universidad de California. CAD/CAM/CAE for Industrial Progress,

pp. 23 235 (2008). ISBN: 04-447-0000-5.

[4] Garca Higuera, Andrs. MARCAMBO Espaa. Sistemas Asistidos por Computadora, pp. 69 148 (2007).