Diseño Asistido por Ordenador Diseño asistido por ordenador 4ª Curso Ingeniería Informática J.C. Torres Dpt. Lenguajes y Sistemas Informáticos ETS. Ingeniería Informática Universidad de Granada TEMA 1. Introducción El término diseño procede del vocablo italiano 'disegno'. En nuestro contexto se utiliza para caracterizar 'la representación gráfica, de acuerdo con una idea creativa previa, de un objeto artístico o funcional, de un dispositivo mecánico, o de la estructura o funcionamiento de un sistema o proceso'. En este tema veremos el proceso de diseño y como los sistemas informáticos pueden incidir en este proceso. Se planteará la estructura general de una aplicación CAD, destacando el papel del modelo geométrico. 1 Diseño Asistido por Ordenador 1.1 Proceso de diseño Tradicionalmente el proceso de diseño sigue los siguientes pasos [Mass87] (ver figura 1): ⋅ Definición. Consiste en especificar las propiedades y cualidades relevantes del sistema a diseñar. ⋅ Concepción de un modelo. Es el núcleo del proceso de diseño. El ingeniero concibe un modelo de sistema que satisface las especificaciones. El modelo deberá documentarse. ⋅ Dibujo de detalle. La mayor parte de las cosas que se fabrican tienen algún tipo de representación gráfica natural, que se utiliza como descripción 'formal' del elemento a construir1. Por ese motivo, antes de pasar al proceso de construcción se deben generar gran cantidad de 'planos' (o descripciones gráficas en general). El conjunto de documentos generados debe ser suficiente para describir el modelo, con el suficiente detalle como para permitir la fabricación de prototipos, con los que validar el diseño. Este paso puede requerir hasta un 50% del esfuerzo de diseño. ⋅ Construcción de prototipos. Para elementos que se van a someter a un proceso de fabricación en cadena, es normal fabricar previamente prototipos, fuera de la cadena de montaje. Los prototipos se fabrican con el propósito de detectar posibles errores en el modelo o la especificación, y en caso contrario, servir de validación del modelo. Los prototipos no tienen que ser necesariamente un ejemplar completo del elemento a fabricar, pudiendo utilizarse para validar tan solo determinadas propiedades. A veces se utilizan prototipos con elementos que no se fabrican en serie, como en ingeniería civil o arquitectura. En esta situación cabe destacar las maquetas para estudios de resistencia de materiales, o comportamiento aerodinámico, y las maquetas de arquitectura. ⋅ Realización de ensayos. Tras la realización de ensayos sobre el prototipo se pueden descubrir deficiencias en el modelo o en la propia definición del sistema, lo que obligará a volver atrás en el proceso, revisando el diseño. Debe observarse que el dibujo de detalle está, en principio, dentro de este ciclo de revisión. ⋅ Documentación. Una vez validado el diseño se pasa a documentarlo. La documentación debe contener la información suficiente como para poder abordar la construcción del sistema. La documentación puede estar formada por información muy diversa: descripción del sistema y de sus componentes, esquemas de montaje, lista de componentes, etc. El proceso de diseño sigue un esquema iterativo, en el que el diseñador trata de encontrar un diseño que satisfaga unos determinados requerimientos, explorando posibilidades, siguiendo un ciclo de propuesta - valoración. 1.2 - Concepto de sistema CAD 1 Paradojicamente una excepción a esta normal es el software. 2 Diseño Asistido por Ordenador En un sentido amplio, podemos entender el Diseño Asistido por Computador (CAD) como la "aplicación de la informática al proceso de diseño" [Salm87]. Puntualizando la definición, entenderemos por Sistema CAD, un sistema informático que automatiza el proceso de diseño de algún tipo de ente, para descartar, como sistemas CAD las aplicaciones que incidan tan solo en algún aspecto concreto del proceso de diseño. Los medios informáticos se pueden usar en la mayor parte de las tareas del proceso, siendo el dibujo el punto en el que más profusamente se ha utilizado. Una herramienta CAD es un sistema software que aborda la automatización global del proceso de diseño de un determinado tipo de ente. El éxito en la utilización de sistemas CAD radica en la reducción de tiempo invertido en los ciclos de exploración. Fundamentalmente por el uso de sistemas gráficos interactivos, que permiten realizar las modificaciones en el modelo y observar inmediatamente los cambios producidos en el diseño. Requerimientos Definición Creación del modelo Dibujo de detalle Construcción de prototipos Ensayos Documentación El desarrollo de un sistema CAD se basa en la representación computacional del modelo. Esto permite realizar automáticamente el dibujo de detalle y la documentación del diseño, y posibilita la utilización de métodos numéricos para realizar simulaciones sobre el modelo, como una alternativa a la construcción de prototipos. Fabricación Figura 1. Proceso clásico de diseño. El ciclo de diseño utilizando un sistema CAD se ve afectado, tan solo, por la inclusión de una etapa de simulación entre la creación del modelo y la generación de bocetos. Esta simple modificación supone un ahorro importante en la duración del proceso de diseño, ya que permite adelantar el momento en que se detectan algunos errores de diseño. La figura 2 muestra el ciclo de diseño utilizando una herramienta CAD. Tan solo las etapas de definición y ensayo con prototipos quedan fuera del ámbito del sistema CAD. El resto de las tareas se realizan utilizando el sistema CAD. La importancia de la realización de ensayos con prototipos dependerá de la naturaleza del ente a diseñar, y de la posibilidad de sustituirlos por simulaciones numéricas. Cuando no hay un proceso de fabricación en serie la construcción de prototipos no suele realizarse. Otro aspecto importante de la automatización del diseño es la posibilidad de utiliza la información del modelo como base para un proceso de fabricación asistida por ordenador (CAM). 3 Diseño Asistido por Ordenador Requerimientos Definición Creación del modelo Simulación Dibujo de detalle Construcción de prototipos Ensayos Documentación Fabricación Los sistemas CAM se utilizan para automatizar el proceso de fabricación, incluyendo la planificación y control del proceso, así como del control de maquinas herramientas. El uso de sistemas CAM está más extendido en procesos de fabricación en cadena, en los que se realizan gran número de tareas mecánicas susceptibles de ser automatizadas. El sistema CAM debe diseñarse para hacer uso de la base de datos del diseño. Figura 2 Proceso de diseño usando una herramienta CAD. La zona sombreada muestra el ámbito del sistema CAD. 1.3 - Estructura de un sistema CAD El diseño es un proceso iterativo de definición de un ente, por tanto, el desarrollo de un sistema CAD se debe basar en el establecimiento de un ciclo de edición soportado por técnicas de representación del modelo, de edición y de visualización. A un nivel más concreto, un sistema CAD debe realizar las siguientes funciones [Brun86,pp.55]: - Definición interactiva del objeto. - Visualización múltiple. - Calculo de propiedades, simulación. - Modificación del modelo. - Generación de planos y documentación. - Conexión con CAM. Es difícil establecer un modelo universal de sistema de diseño. No obstante, a nivel general, y en base a las funciones a desempeñar, se puede establecer que todos los sistemas de diseño poseen al menos los siguientes componentes: 4 Diseño Asistido por Ordenador ⋅ Modelo. Es la representación computacional del ente que se está diseñando. Debe contener toda la información necesaria para describir el ente, tanto a nivel geométrico como de características. Es el elemento central del sistema, el resto de los componentes trabajan sobre él. Por tanto determinará las propiedades y limitaciones del sistema CAD. ⋅ Subsistema de edición. Permite la creación y edición del modelo, bien a nivel geométrico o bien especificando propiedades abstractas del sistema. En cualquier caso la edición debe ser interactiva, para facilitar la exploración de posibilidades. ⋅ Subsistema de visualización. Se encarga de generar imágenes del modelo. Normalmente interesa pode realizar distintas representaciones del modelo, bien por que exista más de un modo de representar gráficamente el ente que se está diseñando, o bien para permitir visualizaciones rápidas durante la edición, junto con imágenes más elaboradas para evaluar el diseño. ⋅ Subsistema de cálculo. Permite el cálculo de propiedades del modelo y la realización de simulaciones ⋅ Subsistema de documentación. Se encarga de la generación de la documentación del modelo. Indudablemente, tanto las técnicas de representación y edición del modelo, como la visualización, el calculo o la documentación, dependen del tipo de ente a modelar. No es pues posible construir sistemas CAD universales. En el ciclo de diseño con un sistema CAD, se puede ver como una sucesión de modificación-visualización del modelo. Una sesión de trabajo con un sistema CAD puede interpretarse como la creación de un 'programa', el modelo, que se especifica interactivamente con una secuencia de ordenes de edición. Cálculo / Simulación Visualización Modelo Geométrico Entrada / Edición Documentación Figura 3. Esquema general de un sistema CAD 5 Diseño Asistido por Ordenador 1.4 - Campos de aplicación Hay un gran número de aplicaciones que de uno u otro modo automatizan parte de un proceso de diseño. Actualmente, para casi cualquier proceso de fabricación o elaboración se dispone de herramientas informáticas que soportan este proceso. No obstante, los tres campos clásicos de aplicación son la ingeniería civil, el diseño industrial y el diseño de hardware. Es posible encontrar en el mercado aplicaciones específicas para un campo concreto junto con aplicaciones de tipo general, que básicamente son editores de un modelo geométrico, sobre las que se pueden acoplar módulos de simulación o cálculo específicos para un campo concreto. Este último es el caso de AUTOCAD, 3D-Studio y MICROSTATION. El diseño industrial es el campo típico de aplicación, y en el que se comercializan más aplicaciones. Se utilizan modelos tridimensionales, con los que se realizan cálculos y simulaciones mecánicas. La naturaleza de las simulaciones depende del tipo de elemento a diseñar. En el diseño de vehículos es normal simular el comportamiento aerodinámico; en el diseño de piezas mecánicas se puede estudiar su flexión, o la colisión entre dos partes móviles. Entre las aplicaciones comerciales de tipo general cabe destacar CATIA (IBM), I-DEAS (SDRC) y PRO/ENGINEER (PTC). En diseño de hardware podemos encontrar desde aplicaciones para el diseño de placas de circuitos impresos hasta aplicaciones para el diseño de circuitos, incluyendo circuitos integrados. En este último campo es fundamental la realización de simulaciones del comportamiento eléctrico del circuito que se está diseñando. Muchas de estas aplicaciones son 2D, e incluyen conexión con un sistema CAM. En ingeniería civil podemos encontrar aplicaciones 2D, especialmente en arquitectura, y aplicaciones 3D. Las simulaciones realizadas suelen estar relacionadas con el estudio de la resistencia y la carga del elemento. 1.5 - Fundamentos Son varias las disciplinas que sirven de sustento al diseño asistido por ordenador, entre ellas destacamos las siguientes: ⋅ Modelado geométrico. Se ocupa del estudio de los métodos de representación de entes con contenido geométrico. Para sistemas 2D en los que la representación gráfica sean esquemas se suele utilizar modelos basados en instanciación de símbolos. Para modelar objetos de los que solo interese el contorno, (perfiles, trayectorias, zapatos, carrocerías, fuselajes, etc.) se suelen usar métodos de diseño de curvas y superficies. Para objetos sólidos (piezas mecánicas, envases, moldes, ingeniería civil, etc.). ⋅ Técnicas de visualización. Son esenciales para la generación de imágenes del modelo. Los algoritmos usados dependerán del tipo de modelo, pudiendo variar desde simples técnicas de dibujo 2D, para el esquema de un circuito, hasta la visualización realista usando trazado de rayos o radiosidad, para el estudio de la iluminación de un edificio o una calzada. Además, se suelen usar técnicas específicas para la generación de la documentación (generación de curvas de nivel, secciones, representación de funciones sobre sólidos o superficies). ⋅ Técnicas de interacción gráfica. Son el soporte de la entrada de información geométrica del sistema de Diseño. Entre estas, las técnicas de posicionamiento y selección poseen una 6 Diseño Asistido por Ordenador especial relevancia. Las técnicas de posicionamiento se utilizan para la introducción de posiciones 2D o 3D. Las técnicas de selección permiten la identificación interactiva de un componente del modelo, son por tanto esenciales para la edición. ⋅ Diseño de la interfaz de usuario. Uno de los aspectos más importante del diseño de una herramienta CAD es la creación de una buena interfaz de usuario. ⋅ Bases de datos. El soporte para almacenar la información del modelo, cuando se diseñen objetos de un cierto tamaño, sea una base de datos. El diseño de bases de datos para sistemas CAD plantea una serie de problemas específicos, por la naturaleza de la información y por las necesidades de cambio de la estructura con la propia dinámica del sistema. ⋅ Métodos numéricos. Son la base de los métodos de cálculo y simulación. 1.6 - Evolución El término Diseño asistido por ordenador fue acuñado por Douglas Ross y Dwight Baumann en 1959, y aparece por primera vez en 1960, en un anteproyecto del MIT, titulado 'Computer-Aided Design Project' [Ross93]. En aquella época ya se había comenzado a trabajar en la utilización de sistemas informáticos en el diseño, fundamentalmente de curvas y superficies. Estos trabajos se desarrollaron en la industria automovilística, naval y aeronáutica. Un problema crucial para esta industria era el diseño de superficies, que se resolvía, siempre que era factible instanciando curvas y superficies conocidas y fácilmente representables (círculos, rectas, cilindros, conos, etc.). Las partes que no podían ser diseñadas de este modo, como cascos de buques, fuselaje y alas de aviones o carrocerías de coches, seguían procesos más sofisticados. El primer trabajo publicado relacionado con la utilización de representaciones paramétricas para curvas y superficies fue escrito por J. Fergusson en 1964 [Bézi93], quien exponía la utilización de curvas cúbicas y trozos bicúbicos. Su método se estaba usando en el diseño de alas y fuselajes en Boeing. Previamente Paul de Castelju desarrollo, en torno a 1958, un método recursivo para el diseño de curvas y superficies basado en el uso de polinomios de Bernstein, en Citroën. Sus trabajos, no obstante no fueron publicados hasta 1974. Paralelamente, y de forma independiente Pierre Bézier, trabajando para Renault desarrollo la forma explícita del mismo método de diseño, que hoy se conoce como método de Bézier. Uno de los hitos en el desarrollo del CAD fueron los trabajos de Ivan Sutherland quien realizó su tesis doctoral sobre desarrollo un sistema de diseño en el MIT en 1963 [Mann93]. El sistema permitía la definición y edición interactiva de elementos geométricos, que podían ser almacenados de forma concisa. Por la misma fecha, y también en el MIT Steve Coons comenzó a desarrollar técnicas de diseño de superficies basadas en la descomposición en trozos [Barn93], que fueron aplicados al diseño de cascos de buques en 1964. El modelado de sólidos tuvo un desarrollo más tardío. Tal vez, los primeros antecedentes sean los trabajos desarrollados por Coons en el MIT entre 1960 y 1965, que se centraron en la aplicación de métodos numéricos a sólidos creados por barrido. 7 Diseño Asistido por Ordenador Los primeros trabajos relacionados con el modelo de fronteras se desarrollaron en la Universidad de Cambridge (UK), a finales de la década de los sesenta. No obstante, el desarrollo del modelado de sólidos como disciplina, se debe en gran parte a los trabajos de Aristides Requicha y Herbert Voelcker en la Universidad de Rochester durante la década siguiente. En 1974 Baumgart propuso la representación mediante aristas aladas (windged-edges) para B-rep, y propuso la utilización de operadores de Euler para editar la representación. A finales de la década de los sesenta y principios de los setenta, se comenzaron a desarrollar modeladores de sólidos. Entre ellos cabe destacar EUCLID, desarrollado por J.M. Brun en Francia, PADL-1 de la Universidad de Rochester, Shapes del MIT, TIPS-1 desarrollado por Okino. 1.7 Bibliografía Los contenidos de este tema son lo suficientemente generales como para que sean cubiertos por cualquier texto de CAD o Informática Gráfica, sin embargo, la confusión respecto a los términos y conceptos es muy grande. Entre los textos de CAD a un nivel general se puede consultar el texto de Massip, que aunque es un libro de divulgación sobre diseño industrial hace un planteamiento, a nuestro juicio, correcto y simple del proceso de diseño y del papel del ordenador en el diseño [Mass87]. El texto de Salmon hace una buena definición del CAD, clarificando perfectamente las diferencias con el dibujo asistido por ordenador [Salm87]. La visión de la estructura del sistema CAD se toma del capítulo de modelado geométrico del libro Mompin, en el que se presenta un esquema simple de funcionamiento [Brun8A]. El libro de Mompin es una monografía sobre CAD, compuesta por una serie de capítulos más o menos independientes, una buena parte de ellos se dedican a comentar aplicaciones concretas, entre las que cabe destacar: Circuitos impresos, Circuitos integrados, Circuitos electrónicos, Aeronáutica, Automóviles, Industria pesada , Diseño industrial, Ingeniería civil, Diseño arquitectónico e Industria textil. El libro de Medland aborda el estudio del diseño y del CAD desde un punto de vista teórico. Referencias Brun86 Brunet P.: "Diseño gráfico y modelado geométrico". Mompín J. (Ed.): "Sistemas CAD/CAM/CAE. Diseño y fabricación por ordenador". Marcombo 1986. Fole90 Foley J.D.; van Dam A.; Feiner S.K.; Hughes J.F.: "Computer Graphics. Theory and Practice". Addison-Wesley 1990. Mass87 Massip R.F.: "Diseño industrial por computador". Marcombo 1987. Salm87 Salmon R.; Slater M.: "Computer Graphics: Systems and Concepts". Addison-Wesley 1987 Ejercicios 1.Enumerar ventajas de la utilización de un sistema CAD frente al diseño convencional en los siguientes campos: diseño de carrocerías de coches, diseño de circuitos electrónicos, diseño de edificios, diseño de alumbrado público, diseño gráfico. 8 Diseño Asistido por Ordenador 2.Describir, para cada una de las aplicaciones anteriores, los prototipos que se podrían utilizar y los ensayos que se pueden realizar con ellos. ¿Cuales se podrían sustituir por un proceso de simulación una vez automatizado el diseño?. 3.Justificar la necesidad de que la definición del modelo geométrico sea interactiva. 4.Proponer una representación interna para cada uno de los modelos geométricos de los sistemas CAD del ejercicio 1. 5.¿Que tipo de propiedades se podrían obtener de los modelos anteriores?. 9