Capítulo 10: Diseño Asistido por Ordenador en 3D.

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Capítulo 10: DISEÑO ASISTIDO POR ORDENADOR EN 3D 1. INTRODUCCION. 1.1.- IMPORTANCIA DEL DIBUJO EN EL DISEÑO. Para diseñadores de productos el dibujo tiene que transmitir información acerca de complejas formas tridimensionales, dotando de personalidad y facilidad de uso a nuevos productos, quizá desconocidos para el consumidor. Por ello, el dibujo del diseñador de productos tiene tres funciones principales: es un medio para exteriorizar pensamientos y clasificar problemas multifacéticos; es un medio de persuasión que vende la idea a los clientes y les confirma que sus instrucciones están siendo satisfechas; es un método para comunicar información completa e inequívoca a los responsables de fabricación, montaje y comercialización del producto. Además, una vez diseñado el producto, es posible que el diseñador tenga que presentar nueva información gráfica, ilustraciones técnicas o animaciones, a modo de instrucciones de uso para el usuario o para el propio marketing de la empresa. El diseño asistido por ordenador (CAD de las siglas Computer Aided Desing) es un instrumento más, aunque sumamente eficaz y polifacético, de que dispone el diseñador, para ser utilizado cuando y como sea conveniente. El CAD puede integrarse en todas las etapas del proceso de diseño, como una tecnología idónea con un enorme potencial para modificar el oficio del diseñador, restituyéndole el control y la amplitud de percepción sobre los diseños, que le estaba negado desde que las demandas de la Revolución Industrial condujeron a la división del trabajo y a la fragmentación del ciclo diseño-producción.

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Paradójicamente, el CAD resultará un beneficio contradictorio para el diseñador. Por una parte, acelerará, aliviará y concatenará el proceso, pero simultáneamente lo volverá más responsable de la totalidad del diseño. Con esta herramienta, el diseñador tiene que trabajar arduamente para resolver por adelantado los posibles problemas de producción, sin dejarlos para que más adelante los herede y resuelva el modelista. 1.2.- EL CAD Y LA FUNCION CAMBIANTE DEL DISEÑADOR. Con toda probabilidad el diseño asistido por ordenador es tan viejo como los tubos de Neper. Casi todos los sistemas CAD actuales derivan del Sketchpad, un programa informático desarrollado en 1963 y basado en la tesis doctoral de Ivan Sutherland en el Massachustts Institute of Technology. El Sketchpad tenía muchas de las características esperadas en los sistemas modernos de dibujo bidimensional. Sutherland también introdujo el concepto de las estructuras de datos con el fin de que los elementos usados comúnmente pudieran almacenarse en "bibliotecas" y ser llamados cuando fueran necesarios para nuevos dibujos. Nunca sería menester, insistió, hacer dos veces lo mismo. El CAD acelera el ciclo diseño-producción sacando más rápido al mercado productos mejores, dando a las empresas que lo utilizan ventaja competitiva en los mercados mundiales. Puede usarse para unificar las variadas etapas del proceso de diseño, allanando en una ininterrumpida transmisión de ideas, el camino de las en otro tiempo separadas fases que van del diseño conceptual a los medios visuales, maquetas, dibujos de piezas. Con la creciente capacidad y un control más firme del manejo, las empresas pueden aprovechar la oportunidad de abrir nuevos mercados y obtener productos más diversificados y mejor orientados. Con dibujos más limpios, legibles y precisos - en especial si desde el principio de un proyecto se emplea el modelado sólido en tres dimensiones-, el CAD elimina la ambigüedad de los diseños, además de proporcionar a los diseñadores la confianza de que no estará en juego la totalidad de sus conceptos mientras recorren la senda decreciente del proceso diseño-producción. El CAD significa más comunicación entre técnicos, diseñadores, administrativos, personal de venta y de oficina.

Pese a un recelo común entre los usuarios, el CAD no parece ahogar la creatividad; por el contrario, dota al diseñador de tiempo para intentar hipotéticas soluciones alternativas. Se lo puede integrar con programas de análisis, simulación y evaluación para probar la validez de un diseño y verificar si satisface las expectativas de rendimiento, lo que permite detectar y eliminar posibles

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fallos de diseño sobre la pantalla y no en la fábrica. Tal vez no se elimine la necesidad de realizar prototipos, pero se requerirán menos y los que haya que hacer se aproximarán más al objeto real. Y a medida que se vuelva más importante para la industria fabril una legislación sobre fiabilidad de productos, han de encontrarse nuevos métodos para ayudar a los diseñadores a evitar errores, predecir y eludir escollos en potencia, y controlar la elevada cantidad de datos complejos relacionada con la fiabilidad y la seguridad del producto.

2. MODELADO GEOMETRICO. Los sistemas CAD que permiten el diseño de objetos tridimensionales (diseño de piezas mecánicas, diseños en chapa, en plástico, diseños de obra civil, arquitectura y urbanismo, etc.) pueden llegar a ofrecer al usuario las siguientes prestaciones: a) En un módulo de preproceso, se define interactivamente la forma tridimensional del objeto o conjunto de objetos a diseñar. El ordenador almacena un modelo tridimensional completo del mismo, que permite la generación de cualquier vista (diédrica, axonométrica, perspectivas), así como secciones, detalles y planos. Asimismo, el modelo de representación tridimensional contiene la información necesaria para el cálculo de las propiedades geométricas del objeto que se está diseñando: superficie, volumen, peso, centro de gravedad, momentos de inercia, etc. b) En una segunda fase de proceso, se utiliza el modelo obtenido para realizar cálculos y simulaciones más complejos, como pueden ser el cálculo de tensiones por elementos finitos, o la simulación del comportamiento aerodinámico en el caso del diseño de carrocerías, perfiles de avión, etc. c) En una tercera fase se pueden visualizar gráficamente los principales resultados de los programas de cálculo. Si no son correctos, el usuario incidirá sobre la forma del objeto, modificando el modelo y repitiendo el proceso; si en cambio ya son aceptables, el sistema podrá generar automáticamente una cinta de control numérico para la generación automática de un prototipo del objeto diseñado.

2.1.- EL MODELO DE ALAMBRES. En realidad, sólo es posible obtener todo tipo de proyecciones del objeto diseñado si el ordenador almacena información tridimensional. Uno de los sistemas, sin duda el más sencillo, es el

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llamado modelo de alambres. En él, el ordenador dispone de las coordenadas en el espacio de todos los vértices del cuerpo, junto con información de qué pares de vértices se encuentran unidos mediante aristas. Mediante sencillas transformaciones geométricas de proyección, se puede obtener cualquier vista del objeto. Sin embargo, no permite la producción de secciones y vistas con eliminación de partes ocultas.

Figura 10.1.- Objeto definido en modelo de alambre.

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2.2.- EL MODELO DE FRONTERAS. En este sistema se amplía la información que almacena el modelo de alambres, incluyendo datos de las caras del objeto. El modelo de fronteras contiene toda la información tridimensional y posibilita todo tipo de operaciones y representaciones realistas del sólido. Una de las técnicas más utilizadas en los sistemas de modelado geométrico para la creación de nuevos sólidos es el llamado método de barrido (sweep). Con este sistema, el usuario genera el objeto tridimensional mediante traslaciones o rotaciones de caras planas que dibuja en pantalla.

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Figura 10.2.- Objeto definido en modelo de fronteras. 2.3.- REPRESENTACION MEDIANTE OCTTREES. Aparte del modelo de fronteras, existe otra gran familia de esquemas de representación en los que se divide el espacio en una serie de celdas, y para cada una de ellas se guarda información de si es interior o exterior al objeto. Una mejora que reduce considerablemente la memoria necesaria consiste en la codificación mediante "octtrees" (o árboles octales). El espacio se divide en cubos, pero no todos son del mismo

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tamaño. El espacio cúbico inicial que contiene el objeto a diseñar se divide en 8 octantes, y para cada uno de ellos se analiza si es blanco (exterior al objeto), negro (interior) o gris (en parte interior y en parte exterior). Se vuelven a dividir en 8 octantes sólo estos últimos nodos grises, hasta llegar a nodos blancos o negros o bien alcanzar la mínima división. La ocupación de memoria es generalmente mucho más alta que en el modelo de fronteras, y todavía se tiene el problema de una representación escalonada en la superficie del objeto.

Figura 10.3.- Diseño mediante el modelo de octtrees.

2.4.- REPRESENTACION MEDIANTE MODELADO SOLIDO. En los sistemas que usan el modelo de geometría constructiva de sólidos (CSG), en vez de generar volúmenes a partir de caras, el usuario puede combinar sólidos elementales (prismas, cilindros, conos y esferas), moldeando con ellos la forma del cuerpo final. Las operaciones que puede realizar con estos sólidos primitivos son: 1) Traslación, escalado y rotación, para situar las primitivas en la posición adecuada; 2) unión; 3) intersección; 4) diferencias. Estos sistemas almacenan únicamente las primitivas utilizadas y el conjunto de operaciones que se ha realizado con ellas. Así, en la generación del objeto, de la figura 10.4, el usuario ha empezado uniendo un paralelepípedo y un cilindro; restando de este conjunto otro cilindro concéntrico al primero consigue practicar un agujero; finalmente, la parte central puede desaparecer si restamos un paralelepípedo de dimensión adecuada. La información que guarda el sistema es únicamente: - Las dimensiones de las primitivas utilizadas. - La localización espacial de las mismas. - Un árbol con las operaciones realizadas: unión, diferencia, intersección. La representación interna es mucho más compacta que cuando se utiliza el modelo de fronteras o los octtrees. Existen algoritmos para el cálculo de propiedades volumétricas, al igual que en los métodos de enumeración espacial: únicamente es necesario combinar las propiedades de los sólidos primitivos. Por otra parte, las operaciones booleanas entre objetos se reducen a combinar

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los dos árboles CSG para producir el árbol final. Ahora bien, en la actualidad sólo existen algoritmos aproximados para la visualización directa de árboles CSG en tiempo real.

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Figura 10.4.- Representación mediante modelado sólido.

3. OPERACIONES EN 3D. 3.1.- ORDENES DE VISUALIZACION. *ELEV: Esta orden permite especificar la elevación y la altura propia de objetos actuales. Todas las entidades que se dibujen a partir de la orden ELEV asumirán como una característica más los valores por ella indicados, hasta el momento en que éstos se cambien empleando de nuevo la orden. Cada vez que una orden precise introducir una coordenada Z, se adopta por defecto el valor de la elevación actual. Comando: ELEV Nueva elevación actual : Nueva altura de objeto actual :

Figura 10.5.- Vista normal y tridimensional.

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También pueden fijarse para un objeto ya dibujado pulsando el botón de propiedades en la barra de herramientas (propiedades de los objetos)

y modificar los datos en la ventana de

diálogo.

*PTOVISTA: Menú.- Ver/Pto Vista 3D

Con esta orden se puede determinar el punto de vista a partir del cual se desea observar el dibujo. Una vez que se ha especificado el punto de vista, el Paquete Gráfico regenera el dibujo proyectando las entidades de manera que aparezcan tal como se verían a partir de la dirección del infinito del punto de vista elegido.

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Se puede introducir los valores del punto de vista por : SELECCION: Donde se especifican, por el cuadro de diálogo Parámetros pto.vista, los ángulos que forma el punto de vista en el plano X_Y respecto al eje X y el ángulo con el plano X-Y.

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ROTACIÓN (PTOVISTA: Se solicitan numéricamente los mismos ángulos que en el caso anterior. TRIPODE: Se presenta en la pantalla una brújula y un trípode mediante los cuales se especifica como se quiere visualizar el objeto. La brújula que se encuentra en la esquina superior derecha de la pantalla es una representación simbólica de una esfera. Su centro corresponde al polo norte; el círculo interior corresponde al ecuador; el círculo exterior corresponde al polo sur. Dentro de la brújula se distingue un pequeño retículo que se puede ubicar en cualquier punto de la "esfera" mediante el dispositivo señalador. Este desplazamiento produce una rotación correspondiente de los ejes del sistema de referencia.

Figura 10.6.- Definición de la brújula para seleccionar el comando VPOINT.

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VECTOR: Se indica numéricamente las coordenadas X, Y y Z del punto de vista. El menú desplegable y la barra de herramientas suministran automáticamente los siguientes puntos de vista: Planta en diferentes SC, Superior, Inferior, Izquierdo, Derecho, Frontal, Posterior y los Isométricos SO, SE, EN y NO.

* OCULTA: Menú.- Ver/ Ocultar. Barra: Render Determina la eliminación de líneas ocultas. Tras la ejecución de la orden la pantalla queda vacía durante cierto tiempo, según la complejidad del dibujo. Luego se redibuja el dibujo sin las líneas ocultas. * SOMBRA: Menú.- Ver/ Sombra.

Mediante esta orden se obtiene una representación sombreada del objeto. No confundir esta orden con la opción de sombreado=rayado.

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* _DVIEW (VISTADIN): Esta orden usa los términos "cámara y objetivo", que permiten determinar cualquier punto de vista. La "línea de mira" viene representada por una línea que va desde la cámara al centro del objetivo. El formato de la orden es el siguiente: Comando: _DVIEW. Designar objetos: Cámara/Objetivo/dIstancia/Puntos/eNcuadre/Zoom/lAdeo/deLim/Oculta/DES/desHacer: Si a la pregunta "Designar objetos:" se da una respuesta

nula (RETURN), el paquete

gráfico buscará en el dibujo un bloque denominado "DVIEW-BLOCK", visualizándolo y alineándolo con los ejes del SCP actual. Si este bloque no ha sido encontrado, automáticamente creará uno formado por una casa con una ventana, una puerta principal abierta y una chimenea, tal como se muestra en la figura 10.7.

Figura 10.7.- Visualización del bloque DVIEWBLOCK . Cámara: Gira la cámara alrededor del objetivo con el cursor, o solicita el ángulo desde al plano XY. Se supone encerrada en una semiesfera, de forma que puede girar 360º en el sentido horizontal y 180º en el sentido vertical.

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Objetivo: Gira el objetivo alrededor de la cámara. Su forma de trabajo es similar a la opción Cámara, a excepción de que en esta opción se indicarán ángulos de rotación del objetivo. Distancia: Permite indicar la distancia de separación entre la cámara y el objetivo.

La escala-guía está graduada desde 0x a 16x, donde 1x es la distancia actual. Desplazando el cursor hacia la izquierda se acercará la cámara al objetivo y se alejará en caso de desplazarlo a la derecha. Puntos: Debe ser la primera opción en seleccionarse, ya que designa el centro de atención del objetivo o punto de destino (hacia donde se quiere mirar) y la situación de la cámara. Encuadre: Desplaza la imagen sin variar el factor de visualización. Zoom: Permite ajustar la distancia focal del objeto a la cámara, modificando el campo visual y apareciendo más o menos objetos. La distancia por defecto está situada a 50 mm. , simulando la visualización de una cámara de 35 mm. Ladeo: Gira el objetivo alrededor de la línea de visión establecida. Delimita: Esta opción permite situar unos planos (traseros o delanteros) perpendiculares a la línea de mira que actúan a modo de paredes invisibles, ocultando todo lo anterior al plano delantero y todo lo posterior al plano trasero. Oculta: Elimina líneas ocultas. DES: Desactiva la perspectiva cónica. Deshacer: Anula la última orden. * _DSVIEWER (VISTAAEREA): Menú.- Ver/Vista aérea.

Barra:Estándar

Proporciona una vista del dibujo en una ventana distinta, como la mostrada, para facilitar el desplazamiento por el mismo.

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3.2.- SISTEMAS DE COORDENADAS. Hasta ahora, se ha utilizado un único sistema de coordenadas, que era el universal (SCU o UCP en la versión inglesa). En este sistema el plano de trabajo era siempre el X-Y o planos paralelos, y las elevaciones y altura de objetos se tomaban sobre el eje Z (perpendicular a dicho plano). También el usuario puede definir un sistema de coordenadas cualquiera, es decir, un Sistema de Coordenadas Personal (SCP). El punto de origen del nuevo sistema puede ser un punto cualquiera del espacio, el plano X-Y puede ser cualquier plano en 3D y la orientación de los ejes X e Y puede ser la que se quiera dentro de este plano. Con la condición de que los tres ejes del SCP (Sistema de Coordenadas Personal) definido por el usuario sean perpendiculares entre sí. Una vez establecido el nuevo SCP, las coordenadas de todos los puntos quedan referidas al nuevo sistema. Sin embargo, también es posible introducir coordenadas referidas al sistema universal sin tener en cuenta el SCP actual. Para ello basta introducir un (*) delante de los valores numéricos. *5,6.5,4.95 @*15