Realidad Virtual y Procesos de Manufactura

Realidad Virtual y Procesos de Manufactura

Jesús David Cardona Miguel Ángel Hidalgo Héctor Castán Fabio Rojas Diego Borro Héctor Jaramillo

Dirección de Investigaciones y Desarrollo Tecnológico Grupo de Investigación en Ingeniería de Software, GIISOFT Grupo de Investigación en Tecnologías para la Manufactura, GITEM

REALIDAD VIRTUAL Y PROCESOS DE MANUFACTURA ISBN 978-958-8122-51-9 Derechos Reservados de Copia  Jesús David Cardona �Miguel Ángel Hidalgo �Héctor Castán �Fabio Rojas �Diego Borro �Héctor Jaramillo �2007 Universidad Autónoma de Occidente Gestión Editorial Dirección de Investigaciones y Desarrollo Tecnológico Coordinación de edición y carátula Paula Andrea Abadía Diagramación Caterina Serra Corrección de estilo e impresión digital FERIVA Cali-Colombia Universidad Autónoma de Occidente Km. 2 vía a Jamundí – Conmutador: 3188000, A.A. 2790 Cali, Valle del Cauca - Colombia www.uao.edu.co - [email protected] Primera Edición, marzo de 2007 El contenido de esta publicación no compromete el pensamiento de la Institución, es responsabilidad absoluta de sus autores. Este libro no podrá ser reproducido en todo o en parte, por ningún medio impreso o de reproducción sin permiso escrito del titular del Copyright. Impreso en Colombia Printed in Colombia

Contenido Prefacio

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Estructura del libro

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Sección I: Realidad Virtual en los Procesos de Manufactura

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Capítulo 1: Prototipado, simulación y realidad virtual Miguel Ángel Hidalgo, Jesús David Cardona Grupo de Investigación en Tecnologías para la Manufactura, GITEM Universidad Autónoma de Occidente, Cali-Colombia

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Capítulo 2: Estudios y aplicaciones de realidad aumentada en dispositivos móviles Diego Borro. Investigador CEIT. Centro de Estudios e Investigaciones Técnicas de Gipúzkoa del País Vasco, España

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Capítulo 3: Metodologías que soportan el desarrollo de entornos virtuales Jesús David Cardona Q. Grupo de Investigación en Ingeniería de Software - GIISOFT. Universidad Autónoma de Occidente, Cali-Colombia. Héctor Castán Rodríguez. Universidad Pontificia de Salamanca, Campus Madrid

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Sección II: Simulación

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Capítulo 4: Simulación de procesos de manufactura por elementos finitos Héctor Jaramillo. Grupo de Investigación en Ciencia e Ingeniería de Materiales GCIM Universidad Autónoma de Occidente, Cali - Colombia

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Sección III: Procesos de Manufactura

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Capítulo 5: Estudio de procesos de mecanizado con técnicas de alometría y análisis dimensional Fabio A. Rojas M. Laboratorio de técnicas modernas en manufactura del Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de los Andes, Bogotá - Colombia.

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Prefacio Este libro ofrece una primera aproximación a la Realidad Virtual (RV) como tecnología para soportar el desarrollo de aplicaciones dirigidas a asistir el diseño y la manufactura de productos. Estas páginas contienen aportes y experiencias de varios profesores investigadores en ingeniería con los que el Grupo de Investigación en Tecnologías para la Manufactura – GITEM de la Universidad Autónoma de Occidente, mantiene vínculos académicos e investigativos. Hoy en día se nos exige estudiar y desarrollar las tecnologías claves asociadas a la RV y los procesos de manufactura, como lo son el Software de diseño y fabricación, prototipado virtual, prototipado rápido, digitalización 3D, y el software de simulación (CAD/CAM/CAE), igualmente la utilización y desarrollo de periféricos, los cuales día a día son utilizados en varios niveles de aplicación, la importancia que estas tienen en el desarrollo de productos, máquinas, la automatización en manufactura, el entrenamiento y simulación a varios niveles en el desarrollo de productos, desarrollo de software para asistir la ingeniería, hacen que las Universidades se interesen y aporten a través del resultado de su investigación al desarrollo del país y de la región. La Universidad Autónoma de Occidente a través de la Vicerrectoría de Investigaciones y Desarrollo Tecnológico reconoció institucionalmente al Grupo de Investigación en Tecnologías para la Manufactura, GITEM, además, registró el GITEM en el Instituto Colombiano para el Desarrollo de la Ciencia y la Tecnología, COLCIENCIAS; este grupo fue concebido por profesores de diferentes departamentos de la Facultad de Ingeniería con el objetivo de desarrollar investigación con socios tanto industriales como académicos, en las áreas de: • •

Diseño y manufactura: área que tiene como objetivo investigar en la aplicación de herramientas teóricas, computacionales y experimentales, aplicadas al diseño y manufactura. Desarrollo de software para asistir el diseño y manufactura de productos: área que tiene como objetivo investigar en la aplicación 7

de herramientas teóricas y de programación para el desarrollo de software para asistir el diseño y manufactura con teoría y técnicas de realidad virtual que permitan la construcción de entornos de visualización y simulación. Las dos líneas anteriormente mencionadas pertenecen al mundo de la ingeniería de los procesos y productos innovadores. Miguel A. Hidalgo - Jesús D. Cardona Santiago de Cali, junio de 2006.

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Estructura del libro El libro ha sido estructurado en tres secciones: la primera se ha denominado Realidad Virtual en los procesos de Manufactura, una sección que está compuesta por tres capítulos en donde se introducen algunos conceptos asociados a la tecnología de la Realidad Virtual y dos aplicaciones de ésta en los procesos de manufactura: prototipado y manufactura virtual. Además se presenta una aplicación de la realidad aumentada sobre dispositivos móviles y un panorama alrededor de metodologías de desarrollo sobre las que se puede soportar la construcción de aplicaciones de Realidad Virtual o de Entornos Virtuales. Una segunda sección, compuesta por un capítulo, se dirige a la simulación en procesos de manufactura, realizándose una aproximación a simulación de procesos por elementos finitos. Finalmente, la tercera sección está dirigida a los procesos de manufactura y especialmente a los realizados con técnicas de alometría y análisis dimensional. Al final de cada uno de los capítulos se han agregado las referencias que sirvieron de soporte para su desarrollo y así facilitar su extracción dependiendo del tema que le interese al lector. El libro se ha organizado de tal forma que el lector pueda revisar cada sección sin necesidad de pasar por alguna de las anteriores. Sin embargo, se sugiere que las secciones I y II sean revisadas en el orden que se propone.

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Sección I: Realidad Virtual en los Procesos de Manufactura

Capítulo 1

Prototipado, simulación y realidad virtual Miguel A. Hidalgo Salazar, Jesús D. Cardona Quiroz Facultad de Ingeniería Grupo de Investigación en Tecnologías para la Manufactura, GITEM. Universidad Autónoma de Occidente. [email protected], [email protected] http://www.uao.edu.co/ Cali-Colombia

Resumen La realidad virtual provee un medio interesante para experimentar una gran variedad de situaciones que pueden ir desde la simulación científica, pasando por entornos de aprendizaje hasta los más inimaginables mundos virtuales dirigidos al entretenimiento. Una aplicación específica de esta tecnología se orienta al diseño y fabricación de productos, donde se brinda una alternativa interesante para asistir el proceso de desarrollo de un producto tangible a través de entornos virtuales que simulan múltiples aspectos de un producto y donde se explotan las ventajas de la realidad virtual como tecnología. Este capítulo tiene como objetivo describir en forma general los conceptos de prototipado y manufactura virtual como aplicaciones que heredan las características de la realidad virtual, mostrar las ventajas que ofrece su utilización dentro del proceso de desarrollo de productos, además de plantear un modelo para asistir el proceso de diseño y fabricación a través del uso de prototipos virtuales. Palabras clave: Realidad virtual, entornos virtuales, prototipado virtual, manufactura virtual.

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1. Introducción La generación de nuevos conceptos de diseño, el mejoramiento de procesos y productos, la innovación tecnológica, y en general la necesidad de obtener mayor flexibilidad y productividad requieren el uso de procesos y/o metodologías robustas que soporten todas las actividades envueltas desde la concepción hasta la implementación de un producto o servicio. El proceso de desarrollo y la atención que se preste a las fases que lo componen determina el grado de cumplimiento de los requerimientos iniciales del producto, los costos asociados a su fabricación y el impacto sobre el cliente. La utilización de herramientas computacionales que apoyen el diseño y fabricación de un producto ha sido una constante desde hace ya varias décadas, un ejemplo de esto es la incorporación de herramientas CAD (Computer Aided Design), CAM (Computer Aided Manufacturing) y CAE (Computer Aided Engineering) a las distintas fases del proceso, con las que se ha logrado minimizar el número de iteraciones y se ha maximizado el tiempo de desarrollo de productos cada vez más eficientes y competitivos en términos de calidad, tiempo y costo. Hoy día la diferencia competitiva entre una organización y otra se fundamenta por el conocimiento que ésta posee y su puesta en escena a través del uso de nuevas tecnologías, dentro de las que se destacan las de información y comunicaciones (TIC). El manejo de la información relativa al diseño y la manufactura de un producto de manera digital facilitan su utilización dentro de un entorno generado por computador, en donde se puede simular con diferentes combinaciones de parámetros, su diseño y fabricación. Del análisis y las iteraciones con el entorno se puede encontrar la combinación más satisfactoria que permita, en el mundo real, obtener un producto de calidad que cumpla con los requerimientos iniciales del cliente o usuario final. Algunos investigadores han planteado la necesidad de abordar el diseño de productos no solo haciendo uso de sistemas CAD/CAM/CAE convencionales, sino a través de entornos virtuales de diseño y fabricación, es decir, la inclusión de actividades de prototipado y manufactura virtual que permitan enfrentar adecuadamente los nuevos retos de diseño y desarrollo de productos en un mercado global y altamente competitivo [1]. Otros in12

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vestigadores afirman que el desarrollo rápido de productos, la innovación y una comprensión más intuitiva del proceso y del producto, son beneficios adicionales que se obtienen por la utilización de prototipos virtuales dentro del proceso de diseño [2]. El prototipado y la manufactura virtual permiten obtener información del producto en etapas tempranas del proceso de diseño, ofrecen oportunidades para su optimización, además de resaltar aspectos y características útiles para su evaluación [3]. Es innegable que el uso de la realidad virtual (RV) para asistir actividades de diseño y fabricación abren un gran abanico de posibilidades para los ingenieros encargados del proceso de desarrollo de un producto, la posibilidad de experimentar de forma más natural con prototipos analíticos en un entorno tridimensional, interactivo, inmersivo y configurable reducen de forma significativa riesgos y costos asociados al proceso tanto de diseño y fabricación como de validación, además, permite un análisis tanto individual como cooperativo del proceso en un entorno virtual que facilita la toma de decisiones. Antes de definir qué se entiende por prototipado y manufactura virtual, es necesario revisar en pocas líneas qué se entiende por realidad virtual, puesto que son aplicaciones que heredan las características de la RV y la razón por la cual la palabra ‘virtual’ acompaña tanto a prototipado y manufactura. Una vez puesto en contexto el término RV, se revisa de forma independiente cada una de las aplicaciones objeto de análisis en el presente documento.

2. Realidad Virtual 2.1. Origen Realidad virtual hace referencia a una tecnología que ha sido utilizada desde hace varios años como herramienta de apoyo en distintas áreas del conocimiento. Primeros vestigios se remontan al año 1962 cuando Morton Heilig se acerca a la construcción de un sistema de RV denominado Sensorama que simulaba un paseo multisensorial en bicicleta [4], [5]. Tres años más tarde, Ivan Sutterland en su artículo “The Ultimate Display” [6] introduce conceptos clave de inmersión en un mundo simulado por Universidad Autónoma de Occidente

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computador, dotado de dispositivos de entrada y salida para estimular los sentidos del usuario, de esta forma Sutterland sentaba las bases y los desafíos que servirían de directrices para investigaciones futuras: La pantalla es una ventana a través de la cual se puede ver un mundo virtual. El desafío es hacer que el mundo parezca real, actúe real, suene real, se sienta real [6]. 1 El mismo Sutterland en el año 1968 desarrolla el primer visiocasco o HMD (Head Mounted Display) y es uno de los primeros prototipos que más adelante sería optimizado para comercialización en la segunda mitad de la década de los 80. En los años 70 los investigadores continúan trabajando alrededor de distintas áreas de la RV, y uno de los trabajos más sobresalientes es la simulación de la ciudad de Aspen, Colorado, desarrollada por el MIT (Massachussets Institute of Technology) y que tenía como objetivo permitir que los usuarios pasearan a través de distintas rutas representadas en tres tipos de escenario: dos sobre la base de fotografías y uno soportado por un modelo básico 3D de la ciudad. En la década de los 80 es acuñado el término Realidad Virtual por Jaron Lanier, uno de los pioneros en el área y fundador de la empresa VPL Research (Virtual Programming Languages). En este mismo periodo, el MIT desarrolla un espacio de trabajo virtual en donde el usuario podía manipular de forma interactiva objetos tridimensionales a partir de la posición de su mano [7]. En el año 1982 se desarrolla VCASS, el primer simulador de vuelo. En 1984 la NASA inicia el proyecto VIVED (Virtual Visual Environment Display) y más tarde el proyecto VIEW (Virtual Interactive Environment Workstation). Tal como describe Fisher et al. [8], el objetivo de la investigación de la NASA era desarrollar una interfaz multimodal y multipropósito para facilitar la interacción natural con tareas complejas, al tiempo que se aumenta el grado de conciencia del usuario que opera sistemas integrados autónomos de gran escala. La proliferación de aplicaciones RV aparece en la década de los 90, aprovechando la potencia de procesamiento ofrecida por los ordenadores personales, mejora de las capacidades multimedia y la expansión de inter1 Traducción propia.

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net. Al mismo tiempo, varias empresas, organizaciones, grupos de trabajo y centros de investigación desarrollaron herramientas que soportan la construcción y visualización de aplicaciones RV como VRML, X3D, Active Worlds, Cult3D o QuickTime VR. 2.2. Definición En los párrafos anteriores se ha realizado un breve recorrido histórico, pero ¿qué es Realidad Virtual?, intentar definir la RV parece ser algo simple, pero a decir verdad es una tarea un poco más compleja, existen tantas definiciones como investigadores que trabajan con ella y dentro de las mismas, se denomina a la RV de diversas maneras: entornos sintéticos, ciberespacio,2 realidad artificial o mundos artificiales. Otros autores señalan el carácter paradójico (oxymoron) de la expresión Realidad Virtual [9], [10], que denota “realidad no real”. En esencia, son palabras diferentes para hacer referencia a lo mismo, y el término Realidad Virtual es la expresión más común y adecuada. En cuanto a su definición, sería conveniente revisar algunas de las aproximaciones que varios investigadores le han dado al término. Para Cruz, por ejemplo, RV hace referencia “a un entorno generado por computador, tridimensional, centrado en el espectador, multisensorial, interactivo e inmersivo, y a la combinación de tecnologías para construir dichos entornos” [5]. Otros como Steve Aukstakalnis et al., definen realidad virtual “como el medio a través del cual los humanos visualizan, manipulan e interactúan con computadores y datos extremadamente complejos” [11]. Para Stuart “la realidad virtual es un entorno en el que se puede percibir a los participantes cercanos, el conjunto de condiciones y a los objetos participantes, y con los que se puede interactuar” [12]. RV para Loeffler y Anderson “es un entorno simulado, tridimensional, generado por ordenador, que es representado en tiempo real según el comportamiento del usuario” [13]. Para Fuchs et al. es “gráficos interac2 El término ciberespacio acuñado por William Gibson en su novela Neuromancer en el año 1984, es usado para englobar el conjunto de aplicaciones que comparten como plataforma las redes de comunicación, por tanto, a pesar de que varios autores llaman a la RV de esta forma, a la luz de este documento solo se considera como un medio a través del cual se pone al servicio de los usuarios un tipo de aplicaciones RV.

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tivos en tiempo real con modelos en tres dimensiones, combinados con una tecnología de visualización que permite al usuario la inmersión en el modelo del mundo e interactuar con él” [14]. Gigante define RV como “la ilusión de participar en un entorno sintético, en lugar de observarlo desde el exterior. La realidad virtual depende de pantallas tridimensionales, estereoscópicas y con seguimiento de la posición de la cabeza, seguimiento de las manos y/o el cuerpo y sonido biaural. La realidad virtual es una experiencia inmersiva y multisensorial” [4]: Otros autores han entregado también sus definiciones, pero se puede decir que en esencia todas las aproximaciones al concepto convergen en que es una experiencia interactiva e inmersiva en un mundo simulado [15]. La necesidad de generar ilusiones de experiencias en mundos virtuales con cierto grado de presencia, al mismo tiempo que se potencia el grado de inmersión, requiere la combinación de varias tecnologías: dispositivos visuales, dispositivos de seguimiento y posicionamiento, dispositivos de entrada, dispositivos de sonido, dispositivos hápticos, hardware de gráficos y computación, además de herramientas software; lo anterior hace difícil que todas las aplicaciones que se desarrollen puedan catalogarse como un sistema RV. Aparece, por tanto, el concepto de Entorno Virtual (EV) para reunir aquellas aplicaciones que recrean en una pantalla de computador un espacio real o imaginario en 3D [12], [16], [17], [18], en donde no se busca la sensación de inmersión sino simplemente la interacción. Se puede decir a partir de las definiciones anteriores de RV y bajo la premisa del concepto de EV, que las características clave de un EV son la utilización de gráficos tridimensionales y un modelo de un entorno que representa algún tipo de vida real o un lugar o estructura artificial. Estas representaciones pueden ser de diversa naturaleza y la gama de posibilidades de aplicación es muy grande, por esta razón, es necesario agrupar a los EV de acuerdo con su uso, forma o medio de acceso (ver Figura 1), apareciendo los entornos colaborativos (EVC), sociales (EVS), en red (EVR), tiempo real (EVTR) o video juegos, además de la posibilidad de combinarlos dependiendo del marco de aplicación en donde se requiere su convergencia.

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Figura 1. Convergencia de los diferentes tipos de EV.

Al observar la Figura 1 y analizar las características de cada grupo, se puede inferir la cantidad de aspectos que deben considerarse en el desarrollo de EV, al mismo tiempo que las propuestas que se realicen sobre la base de la ingeniería del software deben permitir integrar directrices que soporten a cada uno de los tipos de EV, al igual que faciliten mecanismos adecuados para la comunicación y transferencia de conocimiento entre los distintos roles y perfiles de los integrantes del equipo de desarrollo. 2.3. Taxonomía Los sistemas RV pueden ser clasificados según Jerry Isdale de acuerdo con el modo en que se conectan con el usuario [10], en otras palabras, dependiendo de la interfaz utilizada para vincular al usuario con el entorno simulado. Isdale define cinco categorías: • •

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Sistemas Window on World (WoW): sistemas que usan un monitor convencional de ordenador para visualizar el mundo, también son denominados Realidad Virtual de escritorio. Video maping: es un tipo de WoW en el que se mezcla una entrada de video de la silueta del usuario con gráficos generados por ordenador. El usuario observa un monitor que muestra la interacción de su cuerpo con el mundo. Sistemas inmersivos: Sistemas de RV que sumergen al usuario denUniversidad Autónoma de Occidente

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tro del mundo virtual, estos sistemas inmersivos son equipados con un HMD para el despliegue tanto visual como auditivo. Es posible optar por la proyección múltiple para formar lo que se conoce como “Cueva” (Cave), donde el usuario está de pie observando el mundo virtual que se le proyecta, en lugar de usar HMD. Telepresencia: es una variación sobre la visualización de mundos generados completamente por ordenador. Es una tecnología que vincula sensores remotos ubicados en el mundo real con los sentidos de un operador humano. Realidad mixta: se origina de la fusión entre los sistemas RV y telepresencia o también conocida como sistemas de simulación perfectos. Aquí las entradas generadas por el ordenador son mezcladas con las entradas de telepresencia y/o la vista del mundo real del usuario.

Bolzoni propone otra clasificación de acuerdo con el modo de presentación visual [19]: • • • •

Entornos inmersivos: involucran HMD y no incluyen datos de la realidad física. Entornos de sobremesa: involucran monitores de sobremesa que permiten a los usuarios mantener consciencia de la realidad física. Entornos proyectados: involucran un espacio físico donde se proyecta el entorno virtual, como las habitaciones de los proyectos Cave y The Virtual Dome. Entornos aumentados: involucran objetos virtuales que son descubiertos en el mundo real, posiblemente utilizando HMD.

Finalmente, Gobetti y Scateni, plantean que es posible identificar dos tipos de perspectivas para la investigación de los sistemas RV: la perspectiva evolutiva y la revolucionaria [20]. En la primera, la RV es vista como un medio para vencer las limitaciones de las interfaces de interacción hombre máquina (Human Computer Interaction – HCI), y en la segunda, la tecnología RV abre la puerta a nuevos tipos de aplicaciones que explotan las posibilidades ofrecidas por la simulación de presencia.

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3. Prototipado virtual Al igual que con RV, algunos autores han proporcionado varias definiciones para el concepto de prototipado virtual (PV), algunas de ellas son: • •

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«Prototipado virtual es una tecnología relativamente nueva que involucra el uso de la Realidad Virtual y otras tecnologías computacionales para crear prototipos digitales»[21]. «Por prototipado virtual, nos referimos al proceso de simular el usuario, el producto y su interacción dentro del software a través de diferentes etapas del diseño de un producto, además del análisis de desempeño cuantitativo del mismo» [22]. «En la definición de prototipado virtual de ingeniería mecánica, la idea es reemplazar modelos (maquetas) físicos por prototipos software. Esto incluye también toda clase de simulaciones funcionales y geométricas, involucrando o no personas» [23].

Como las anteriores existen varias definiciones de PV que varían ligeramente dependiendo del marco de trabajo de los distintos investigadores, a partir de esta revisión del concepto se pueden llegar a sintetizar las diferencias a través del planteamiento de algunas preguntas: ¿Es un prototipo virtual lo mismo que un modelo (maqueta) digital? ¿Qué son las funciones del PV? ¿Debería el PV incluir una componente de interacción persona – producto? ¿El PV tiene que usar técnicas de RV? ¿El PV tiene que incluir el proceso de optimización? La primera pregunta es interesante y es bastante frecuente en varias discusiones alrededor del tema, el diccionario académico de ciencia y tecnología (The Academic Press Dictionary of Science and Technology) define prototipo como «Una forma temprana o ideal;… (en ingeniería) un modelo a escala real de una estructura o pieza de un aparato, usado en la evaluación de forma, diseño, satisfacción y desempeño.», por otro lado define modelo «… (en ingeniería) un modelo a escala, frecuentemente a escala real, de una estructura, aparato o vehículo; usado para estudio, entrenamiento o prueba, y para determinar si el aparato puede ser manufacturado fácil y económicamente» [24] . Se puede decir entonces que un prototipo:

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Es un modelo de una estructura o aparato (producto). Usado para probar forma, satisfacción de diseño, desempeño, y facilidad de manufactura. Usado para estudio y aprendizaje. Un prototipo virtual requiere que preste las mismas funciones o aún más que su homólogo físico. Permite la evaluación sensorial de un producto, como color, forma, características estéticas, tacto, adaptabilidad, entre otros aspectos como la ergonomía.

El investigador Wang de la Universidad de Manitoba (Canadá) se aproxima bastante bien al concepto de prototipo virtual y por ende al de prototipado virtual: «un prototipo virtual, o modelo (maqueta) virtual, es una simulación de un producto físico que puede ser presentado, analizado y probado a partir de los aspectos concernientes al ciclo de vida del producto como diseño/ingeniería, manufactura, servicio y reconversión, tal como si fuera sobre un prototipo físico. El proceso de construcción y prueba de un prototipo virtual es llamado prototipado virtual (PV)» [25]. El prototipado virtual puede maximizar beneficios, al integrar para el análisis de un producto el uso de visualización de datos científicos, modelos tridimensionales y simulaciones animadas, con el objetivo de diseñar, evaluar y depurar un producto antes de que sea llevado al mundo real, además de brindar una rápida comunicación interdisciplinaria que se traduce en un diseño más robusto, reducción de costos y tiempos de diseño y manufactura. Estas posibilidades hacen que un prototipo virtual pueda ser ingresado desde muy temprano al proceso de diseño, pues no es necesario para su construcción haber establecido la totalidad de especificaciones de diseño. La fácil introducción de prototipos virtuales da a los diseñadores y equipos interdisciplinarios gran libertad para explorar diferentes variaciones del producto (evaluar alternativas de solución o evaluación de conceptos), teniendo la posibilidad de observar de manera paralela los cambios representados en una visualización tridimensional de lo que será el nuevo producto. Con base en la definición de PV de Wang, es necesario contar con una simulación de un producto por computador, generalmente un modelo para20

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métrico sólido tridimensional; por otro lado, para que un prototipo virtual pueda representar un modelo físico real, es necesario poder contar con una interacción persona – producto, es decir, debe brindarse la posibilidad de que el producto pueda ser visto, oído y tocado por un ingeniero o usuario. Esta es precisamente el área en donde las técnicas de RV pueden jugar un papel importante. Finalmente, varias perspectivas del producto diseñado deben estar disponibles para probarlo y evaluarlo. En resumen, un prototipo virtual se considera completo si incluye tres tipos de modelos [25]: • • •

Un modelo sólido tridimensional Un modelo de interacción persona – producto Modelos de perspectiva para prueba

La Figura 2, muestra varios modelos interrelacionados que son construidos con el fin de presentar, analizar y evaluar virtualmente un producto. La interfaz de usuario sirve como un componente de integración que coordina el comportamiento de los modelos y provee información útil para el usuario del sistema. Dependiendo de la aplicación, un prototipo virtual puede incluir un subconjunto de estos componentes [25]. El modelo de interacción persona – producto se ve enriquecido por la característica de inmersión de la RV y permite entre otros aspectos: • • • • •

Entornos para diseño estético y ergonómico. Participación del cliente en el proceso de diseño y su evaluación. Asistir el modelado intuitivo de superficies y modelado orgánico. Mejorar la interfaz del análisis de elementos finitos. Ayudar en actividades de ensamble, análisis de facilidad de manufactura y mantenimiento (justo en este punto aparece la convergencia entre el prototipado virtual y la manufactura virtual).

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Figura 2. Componentes de un prototipo virtual propuestos por Wang

Para garantizar un acople del producto dentro de un ambiente virtual, es necesario cumplir con ciertas reglas o lineamentos generales que le permitan al equipo de diseño la alteración y manipulación concurrente del prototipo. Estos lineamentos generales están basados en los estándares para el intercambio y la representación de datos del modelo y el uso de un enfoque de dirección de datos orientado a objetos, que sumados al desarrollo de sistemas de procesamiento paralelo de alta velocidad, permitirán la generación de aplicaciones en tiempo real. Algunas de las aplicaciones en tiempo real necesarias para lograr un verdadero prototipo virtual incluyen controladores para razonamiento geométrico inteligente, manejo de restricciones y simulación de desempeño dinámico; con ellas, prototipado virtual se convertiría en una importante e interactiva herramienta de análisis. Así como ocurre en muchas aplicaciones de ingeniería, en el prototipado virtual hay dos formas de trabajar desde el punto de vista usuario– aplicación: (1) utilizar herramientas de autor para la generación de prototipos virtuales, dotándolos de cierto grado de interactividad y realismo, permitiendo pasar los prototipos por diferentes aplicaciones , con el fin de analizar la mayor cantidad de parámetros o simplemente para ser utilizados en visualización y comunicación del diseño; y la otra forma es (2) ser desa22

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rrollador de interfaces virtuales para la construcción e interacción de modelos tridimensionales, aquí el usuario pasa al plano de la programación, en donde escribirá, depurará y ejecutará sus propias aplicaciones. En muchas ocasiones se confunde el prototipado virtual con la simulación convencional en ingeniería debido a la cercanía que puede existir entre ambos conceptos. Una simulación convencional puede ser entendida como un medio para obtener conocimiento de un aspecto particular de un producto, mientras que el PV busca reunir todos los aspectos relacionados con un producto con el objetivo de reemplazar prototipos físicos, por tanto, técnicamente es una tarea más exigente que una simulación individual, además, el PV hace énfasis en la interacción persona – producto. A partir de las características mencionadas, se puede pensar en varias aplicaciones del prototipado virtual dentro del proceso de desarrollo de un producto, tal como se observa en la Figura 3. Algunas aplicaciones pueden ser:

Figura 3. Posibles áreas de aplicación del PV dentro del ciclo de vida de un producto

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Diseño, construcción e implementación de piezas o dispositivos únicos. Por ejemplo, el desarrollar un dispositivo que le permita a una persona paralítica realizar actividades que normalmente no puede hacer, como puede ser pintar. En este caso el objetivo como diseUniversidad Autónoma de Occidente

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ñadores es realizar un dispositivo que permita realizar esta actividad. Al ser un producto único, del cual no se fabricarán volúmenes de producción que absorban los costos necesarios para la construcción de un prototipo físico, y el inconveniente de realizar pruebas y experimentación sobre el paciente, permiten pensar en la simulación de todos los parámetros dentro de un entorno virtual, en donde el modelo del dispositivo pueda interactuar con un paciente virtual. Una vez se garantice un desempeño total en el entorno, se podría pasar a la construcción física e implementación del dispositivo para efectos de validación. Diseño de partes y ensambles para productos. Uno de los campos en donde más se ha hecho uso del prototipado virtual es para asistir el diseño de componentes, generalmente apoyados en la utilización de aplicaciones para modelado (por ejemplo un CAD), además de involucrar módulos de simulación y análisis específico: simulaciones dinámicas, análisis de elementos finitos, verificación de interferencias, cálculo de fuerzas, etc. El diseño de este tipo de elementos se puede asistir fácilmente con la utilización de prototipos virtuales. Comercio electrónico de productos y procesos. El auge de internet, la multimedia y la misma realidad virtual ha hecho que día a día las empresas se preocupen por mostrar y vender de una manera más dinámica; actualmente se puede pasar, por ejemplo, de los catálogos planos de productos a verdaderos catálogos interactivos, en donde el usuario puede personalizar características básicas o extendidas del producto, y visualizar en tiempo real cómo luciría su producto una vez haga su pedido y éste llegue a su casa.

En los tres ejemplos anteriores se puede observar una ‘pobre’ inmersión debido a la finalidad de uso del entorno virtual, esto lo convierte en entornos de sobremesa de acuerdo con la clasificación que hace Bolzoni de los entornos virtuales con respecto a la presentación visual (ver apartado de realidad virtual). Esto no quiere decir que no se puedan desarrollar entornos virtuales inmersivos para el diseño de productos; por ejemplo, se usan entornos con una alta componente de inmersión en el diseño de interiores para vehículos, de tal forma que se garantice un diseño con criterios 24

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de seguridad y ergonomía para el usuario. El entorno crea la sensación de estar dentro de un vehículo y permite experimentar mientras se conduce, además de observar cómo se adapta a los diferentes elementos internos del vehículo y cómo percibe la interacción con los mismos. Con base en los resultados de esta inmersión se pueden lograr cambios instantáneos del diseño o recomendaciones para la optimización de partes, bien desde el punto de vista del diseño o desde el punto de vista de ubicación espacial.

4. Manufactura virtual El término manufactura virtual (MV) es más reciente y ha sido un poco más difícil su aceptación en comparación con el prototipado virtual, aunque ha contado con el apoyo de varios investigadores que han publicado varios trabajos donde se muestran resultados satisfactorios y donde se han aproximado a una definición: •

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«Manufactura virtual puede ser entendida como un sistema, en el cual modelos de objetos de manufactura, procesos, actividades y principios se desarrollan en un entorno basado en computador para incrementar uno o más atributos del proceso de manufactura» [26]. «Puede ser descrita como un modelo simulado de la configuración actual de manufactura, que puede o no existir. Esta mantiene toda la información relacionada con el proceso, al proceso de control y gestión, además de los datos específicos del producto. Es posible tener parte de la planta de manufactura real y otra parte virtual». Nahavandi y Preece [27]. «MV es el uso de modelos computacionales y simulaciones de procesos de manufactura para asistir en el diseño y producción de productos manufacturados».[28]

Las definiciones anteriores coinciden en que los entornos virtuales para MV son construidos para el proceso de manufactura completo, con el objetivo de facilitar un análisis rápido del desempeño, además de permitir la predicción de los resultados cuando un cambio en el proceso de fabricaUniversidad Autónoma de Occidente

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ción es realizado antes de su implementación en el mundo real; lo anterior permite reducir el tiempo y costo de desarrollo e implementación de nuevos procesos y dispositivos, además de prever eficiencia y modelos precisos con los que se hará el diagnóstico y control de un proceso productivo. Las ventajas en la utilización de este tipo de entornos pueden reflejarse en la velocidad y la facilidad con la cual entorno virtual puede ser reconfigurado con respecto a su homólogo real; además de que la producción no necesita ser perdida en el proceso, siendo posible ejecutar simultáneamente múltiples procesos para comparar optimizaciones y entregar criterios de decisión sobre la más satisfactoria combinación. Esta es una herramienta útil si se piensa en aquellos procesos automatizados en donde se pueden manipular de alguna manera las entradas del sistema y observar cómo se reflejan estos cambios a la salida; este tipo de aplicación asiste a un ingeniero en la toma de decisiones, y obtiene la configuración óptima del sistema, que arroja la máxima productividad y eficiencia. Una vez que un modelo o programa completo se ha desarrollado, un proceso real puede ser diseñado y construido alrededor del proceso virtual. Esto permitirá al entorno virtual de manufactura evaluar factores físicos y reales, de manera que una vez simulados y analizados, los resultados puedan ser involucrados en el entorno real, transfiriendo de esta manera flexibilidad y el enorme poder de abstracción del entorno virtual al mundo físico. El intentar cubrir todas las actividades y funciones del ciclo de vida de un producto dentro de un entorno virtual para manufactura es algo complejo, debido a esto, Lin et al. [28] propone tres paradigmas para la manufactura virtual: • • •

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MV centrada en el diseño: Provee a los diseñadores de las herramientas para diseñar productos que reúnan criterios de diseño para X (design for x). MV centrada en la producción: Provee el medio para desarrollar y analizar alternativas de producción y planes de proceso. MV centrada en el control: Permite la evaluación del diseño de productos, planes de producción y estrategia de control, además de un medio para mejorar de forma iterativa todo lo anterior a través de la simulación del proceso de control.

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La Figura 4 muestra los tipos de manufactura virtual y su relación con el proceso de desarrollo de un producto. Del concepto de manufactura virtual se desprende uno nuevo denominado compañía virtual, y que Lin et al., en el informe de contribución a la manufactura virtual define como una red multidisciplinaria rápidamente configurada por pequeñas firmas de proceso específico, con el objetivo de encontrar una ventana de oportunidad para diseñar y producir un producto determinado. Este concepto es interesante y agrega gran valor cuando cada una de las empresas que conforman el cluster denominado compañía virtual, han implementado en su interior alguno de los tipos de manufactura virtual, sumado a la incursión de las tecnologías de la información y las comunicaciones (TICs), agregará valor competitivo al poder potenciar la forma como las equipos de desarrollo comparten información, espacios, puntos de vista y llevan a cabo actividades tanto técnicas como de gestión de manera concurrente.

Figura 4. Manufactura virtual y su relación con el proceso de desarrollo3 3 Gráfico tomado del trabajo Contribution to Virtual Manufacturing Background Research. University of Maryland [En línea], . Traducción Jesús Cardona.

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Un alto porcentaje de los costos de un producto están involucrados con las etapas de diseño. Desde el punto de vista del ciclo de vida de un producto, la manufactura virtual provee a los ingenieros de diseño, proceso y producción, la posibilidad de validar sus diseños, la planeación de los procesos asociados y la planeación de las operaciones con respecto a la viabilidad técnica y costos. Esto es completado de forma temprana en la fase de diseño antes de realizar la producción real. La noción fundamental de la manufactura virtual es que ésta es un ambiente simulado por computador para el desarrollo de productos, en donde es posible “hacerlos virtualmente” antes de “hacerlos en el mundo real”. Simulaciones sobre partes del ciclo de vida proveerán precisión de datos que imposibiliten el desarrollo de un diseño difícil o imposible para fabricar. Las áreas funcionales del ciclo de vida de un producto en manufactura virtual incluyen una interfaz hombre – máquina (visualización), desarrollo de proceso, prototipado, producción y control en planta o taller. Como se observa en estas áreas, tanto la realidad virtual como el prototipado virtual son relevantes para la manufactura virtual. La realidad virtual puede dar soporte al desarrollo enriquecido de interfaces gráficas de usuario para manufactura virtual, y de esta manera mejorar la integración del usuario dentro del sistema computacional. El prototipado virtual ha sido usado en un esfuerzo por reducir el tiempo y los costos involucrados para el desarrollo de un producto, la información de diseño asistida por computador es directamente transformada a modelos o productos sin la construcción de prototipos físicos para validar y optimizar el diseño. El prototipo virtual se “construye” usando simulaciones del proceso de producción planeado, por lo que se podría decir que el prototipo virtual fue creado usando manufactura virtual. Es allí donde los prototipos virtuales tienen ventajas sobre los prototipos físicos. Las compañías virtuales, se centran en compartir habilidades, tecnologías, recursos y ganancias entre socios para lograr agilidad y rapidez en el desarrollo de productos. El intercambio de información entre socios a través de internet, llega a ser un asunto crítico para el éxito de una compañía virtual. Dentro de una compañía virtual es posible compartir información acerca de productos, procesos y producción. Esta información puede ser representada en forma de datos, conocimiento y/o modelos y pueden ser distribuidos a diferentes ambientes informáticos. El compartir e inte28

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grar información a través de redes es el énfasis de una compañía virtual, mientras que en la manufactura virtual el énfasis está en el desarrollo del producto. Una comparación entre las áreas de enfoque de la manufactura virtual, la compañía virtual y el prototipado virtual se muestra en las Tablas 1 y 2 según Lin 95 [28] . Tabla 1. Comparación. Desarrollo del producto Desarrollo del producto Producción

Diseño

Diseño Proceso Prototipado Producción Manufactura Virtual Prototipado Virtual Compañía Virtual

X X

X

X X

X

Control Control planta - taller X

Tabla 2: Comparación. Integración de la información

Manufactura Virtual Prototipado Virtual Compañía Virtual

Integración de la información Desarrollo del producto y Comunicación y selección proceso entre socios X X X X

5. Modelo propuesto Este apartado presenta un modelo para asistir el proceso de diseño y fabricación de productos a través del uso de prototipos virtuales, el modelo es usado actualmente dentro del proceso de enseñanza - aprendizaje en los cursos de prototipado y manufactura virtual de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Occidente. El modelo surge como una estrategia pedagógica para la enseñanza de la realidad virtual y su aplicación en el proceso de diseño y fabricación de Universidad Autónoma de Occidente

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productos a través del prototipado virtual. Por otro lado, se fundamenta en el aprendizaje basado en la solución de problemas, en donde la necesidad de búsqueda de nuevo conocimiento genera la necesidad en el estudiante de adquirir las competencias necesarias para cumplir el objetivo de diseño trazado al inicio del curso. Para facilitar el proceso, se comienza por el análisis sistemático de un producto o dispositivo a través de un proceso de ingeniería reversa. El primer paso es entender el funcionamiento del producto y proponer mejoras en su diseño haciendo uso del prototipado virtual. La complejidad de esta tarea aumenta al tener que proponer un diseño final que pueda ser manufacturado con las máquinas de control numérico computarizado (CNC) dispuestas para el desarrollo del prototipo físico funcional. Esto introduce una serie de restricciones que se deben considerar en la fase de prototipado virtual, de tal forma que el resultado final de esta etapa pueda ser la entrada de la fase del desarrollo del prototipo físico y pueda lograrse la fabricación de las partes que conforman el producto. La Figura 5 muestra el modelo propuesto.

Figura 5. Modelo propuesto

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El prototipado virtual se alimenta con la salida generada en la etapa de rediseño y adaptación para prototipado, donde se han considerado las restricciones de tipo proceso de fabricación. El prototipado virtual inicia con el modelado de las partes y ensamble del prototipo virtual, en esta etapa se tiene en cuenta el propósito del prototipo, si va ser para representación o si va ser usado para visualización o simulación. Esto es importante porque dependiendo del objetivo del prototipo se selecciona la técnica de modelado más adecuada para cada caso. Sin embargo, el modelo permite la integración de las representaciones generadas, bien instantáneas o animaciones 3D con los procesos de visualización y/o simulación. En el caso del desarrollo de entornos de visualización y simulación es necesario pasar el prototipo virtual por una serie de etapas que lo acondicionen para su uso efectivo. La primera etapa es denominada exportación del modelo, donde dependiendo de la plataforma a utilizar se hará la selección del formato adecuado al tipo de entorno. Posteriormente el modelo es preprocesado, etapa en donde se destaca la reducción de polígonos, el proceso de asignación de materiales, la ubicación de pivotes y la definición del formato final necesario para la generación de la aplicación. En la fase de generación de la aplicación, el estudiante puede asumir dos roles, tal como se describió en la sección anterior: el de desarrollador de aplicaciones o el de usuario de herramientas de autor, esto depende del tipo de entorno y del control que se necesite tener sobre los objetos en la visualización y/o simulación. Si el objetivo es la generación de imágenes 3D con fotorealismo o sin él y/o animación, se realizan tres etapas previas, la primera es llamada de composición de la escena, donde básicamente se realizan actividades de adición de texturas, luces y cámaras. Una etapa alternativa es la aplicación de técnicas de animación 3D, si se ha definido la realización de animaciones tridimensionales del prototipo. La etapa de representación es la encargada de la generación de las salidas en los formatos necesarios de imagen o animación. Finalizado el análisis a través del proceso de prototipado virtual se generan las propuestas conceptuales del diseño para su construcción física. Estás propuestas son las entradas para el desarrollo del prototipo físico funcional (En el marco del presente trabajo no se describirán las etapas que componen este desarrollo). Universidad Autónoma de Occidente

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El modelo se utilizó satisfactoriamente en el desarrollo de 15 proyectos en los cursos de prototipado y manufactura virtual. Algunos de estos proyectos fueron orientados al mejoramiento de diferentes productos desde la óptica del diseño y otros al desarrollo de proyectos de fin de carrera. El modelo orientó de manera efectiva la asimilación de conceptos de ingeniería reversa, RV y su aplicación a través del prototipado virtual en el proceso de diseño y fabricación de productos, demostrando la efectividad de una metodología basada en la solución de problemas como estrategia en el proceso de aprendizaje.

6. Conclusiones y trabajo futuro La aplicación de la realidad virtual en procesos de diseño y fabricación de productos ofrece un gran potencial, al mismo tiempo que se convierte en un desafío tanto en investigación como en la actividad industrial. Se puede pensar en una generación de sistemas con un gran componente de interactividad e inmersión que permitan a través de un entorno tridimensional simular, probar y evaluar condiciones, procesos y parámetros para el desarrollo de un producto de una forma más natural e intuitiva. Tras revisar los conceptos de prototipado virtual y manufactura virtual, además de la experiencia en el desarrollo de varios proyectos en el área, se pueden plantear algunas líneas de trabajo que pueden ser de interés para la aplicación de la realidad virtual en el diseño y fabricación de productos: • •

•

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Integración del diseño, análisis y herramientas de simulación. Evitar pérdida de datos en el intercambio de herramientas, presentación y almacenamiento de los datos del producto. Prototipado virtual para análisis de facilidad de manufactura, mantenimiento y servicio. ¿Es fácil el ensamble y desensamble del producto? ¿Qué sucede si la actividad es realizada por más de una persona? ¿Cumple un producto con la característica facilidad de servicio? Tolerancia de fallos en sistemas de PV. Evitar errores que pueden ser causados, por ejemplo, por retardos en tiempos de cómputo,

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• • • • • •

procesamiento de imagen, deterioro o corrupción de datos durante el intercambio entre varias plataformas. Optimización de diseño fundamentado en PV. Entornos de diseño concurrentes centrados en PV. Determinar qué componentes de perspectiva del producto para evaluación y prueba deben ser mínimos para un PV. Entornos virtuales de PV o MV cooperativos sobre internet. Percepción humana - Influencia de la luz, sonido, máquinas en movimiento y distancia sobre la predicción de riesgos en un EV. Análisis de riegos en el proceso

Por otro lado, es posible afirmar que el prototipado virtual converge con la manufactura virtual en uno de sus paradigmas de tal forma que un prototipo virtual se “construye” usando simulaciones del proceso de producción planeado, por lo tanto se puede decir que el prototipo virtual se crea usando manufactura virtual. El prototipo virtual es un componente esencial en el ciclo de vida de un producto virtual, por lo tanto, el desarrollo en el área del prototipado virtual aumentará el potencial de la manufactura virtual. La compañía virtual se centra en las interacciones entre asociados, mientas que la manufactura virtual se centra en el desarrollo del producto y proceso. Sin embargo, las tecnologías desarrolladas en las compañías virtuales serán útiles para la manufactura virtual únicamente cuando los centros de manufactura virtual coloquen al alcance sus recursos a través de la red y se puedan conformar clusters de trabajo de ingeniería tanto concurrente como cooperativa. Con respecto al modelo propuesto se puede afirmar que ha mostrado ser una herramienta útil para el proceso de aprendizaje, logro de los objetivos de diseño y fabricación de productos en un ambiente de investigación y desarrollo, pero este no sería suficientemente robusto como para pretender una adopción en algún sector de la industria, con un impacto significativo en el quehacer de ingenieros cuya experiencia, conocimiento y necesidades pueden distar significativamente de los que lo han utilizado hasta el momento. Como consecuencia de los buenos resultados obtenidos en el ambiente académico, sí es posible pensar en el desarrollo de una metodología que se base en el modelo propuesto y dé suficiente soporte Universidad Autónoma de Occidente

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y robustez a los procesos de prototipado virtual, estableciendo una nueva forma de hacer diseño y con esta premisa ciertos sectores de la industria podrían adoptarla si se demuestra que mejora significativamente el desempeño en esta actividad de la ingeniería

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Capítulo 2

Estudios y aplicaciones de realidad aumentada en dispositivos móviles Diego Borro CEIT, Centro de Estudios e Investigaciones Técnicas de Gipúzkoa del País Vasco y Tecnun (University of Navarra) [email protected] España

Resumen Este capítulo trata sobre el desarrollo de aplicaciones de realidad aumentada en dispositivos móviles, estudiando el rendimiento actual, tanto de librerías gráficas como de distintas cámaras; señalando los problemas encontrados y describiendo diferentes prototipos desarrollados. Gracias a estos estudios se ha generado un conocimiento y una plataforma de desarrollo de aplicaciones que sirve como punto de partida para la fácil generación de aplicaciones de realidad aumentada.

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1. Introducción La realidad aumentada (en adelante RA) es un campo que ofrece gran cantidad de posibilidades para la investigación; consistente en la combinación de imágenes reales junto a imagen generada por computador, añadiendo información extra a lo que se observa. Esto, unido al avance y a la gran acogida por parte de los consumidores hacia teléfonos móviles y PDAs, se convierte en un área que puede tener gran desarrollo en los próximos años. El objetivo de este estudio es dar a conocer los usos que tiene la RA en diversos campos, para los que se han creado aplicaciones en los entornos tanto de PC como de PDA, este último entorno móvil donde se esperan altas expectativas de crecimiento e investigación y en el que se centra este artículo. A continuación, de un sucinto recorrido por el estado del arte de esta tecnología, se ha estructurado este documento en diversas secciones. La Sección 3 expone las pruebas de rendimiento previas realizadas a cámaras para PDA. En la Sección 4 se detallan las aplicaciones desarrolladas en diversos entornos (PDA y PC). Seguidamente, en la Sección 5, se enuncian unas librerías 3D que existen para dispositivos móviles PDA y se realizan pruebas de rendimiento con ellas. La Sección 6 realiza un estudio final de rendimiento de distintas soluciones cliente y/o servidor entre PDA y TabletPC desarrolladas a lo largo de esta investigación. Por último se exponen las conclusiones finales derivadas de los estudios realizados.

2. Estado del arte Antes de que los dispositivos PDA llegasen a ser accesibles económicamente para el gran público existían trabajos que ya pensaban en usarlos para ayudar de diversas formas a los usuarios. Si bien los primeros trabajos aún continuaban utilizando dispositivos con cable con lo que la movilidad se veía afectada [1], [2]. La idea de estos trabajos consistía en realizar el tracking de la posición del usuario gracias a cámaras y marcadores codifi-

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cados por color; así, el servidor enviaba a los dispositivos móviles imágenes aumentadas con información adicional. Ahora, gracias al bajo precio de los nuevos dispositivos de mano como las PDAs, este tipo de dispositivos se van a convertir en esenciales para los usuarios en un futuro cercano [3]. Recientemente, diversos trabajos han empezado a probar las capacidades de los mismos. Por ejemplo, en Alemania, país con una vasta experiencia en RA, los investigadores están empezando a migrar sus aplicaciones a estos dispositivos de mano. Se dispone de un sistema móvil para guiar a usuarios en edificios desconocidos consistente en una PDA y una cámara [4]. Los usuarios pueden encontrar la ruta apropiada gracias a un mapa y señales generadas por la PDA. El sistema de tracking está basado en marcadores [5], [6], usando el paquete ARToolkit [7]. Existen otras aplicaciones que utilizan una PDA en la parte cliente que recibe imágenes aumentadas, como por ejemplo el proyecto AR-PDA [8], [9]. En estos trabajos la PDA es usada para mostrar las imágenes aumentadas recibidas desde un servidor responsable de realizar todo el trabajo de tracking y renderizado. Otro ejemplo es el desarrollado por AT&T [10] donde se accede remotamente a la pantalla de una PDA usada como cliente ligero, reduciendo el esfuerzo requerido para el mantenimiento. La prueba de que esta tecnología puede ser aplicada tanto en interiores como exteriores se encuentra en otros sistemas alemanes desarrollados para proporcionar información multimedia en visitas a monumentos históricos [11] y lugares arqueológicos [12]. El sistema utiliza tecnología GPS para reconocer la posición del usuario y le muestra información del monumento cercano a él.

3. Pruebas de rendimiento A continuación se va a analizar el rendimiento de diversas cámaras en formato SD para PDA, centrándose dicho estudio en un aspecto crítico: la tasa de fotogramas por segundo que son capaces de ofrecer. Los modelos seleccionados han sido: HP photosmart mobile camera y Spectec SD Camera; dichos modelos han sido analizados con la PDA Dell AXIM x30

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(624 MHz de procesador, 64 MB SDRAM) empleando para ello una aplicación de RA desarrollada por los autores que utilizan la librería ARToolkit para PDA [13]. Se han realizado tres pruebas en diversos escenarios y a las tres resoluciones de video posibles (160x120, 240x180 y 320x240, la cámara de HP no soporta esta última): • • •

Modo visualización: Se captura la imagen y se visualiza en la pantalla de la PDA. Modo ARToolkit (sin encontrar marcadores): Se captura la imagen, en la que no hay ningún marcador presente, ARToolkit procesa la imagen y se visualiza en la pantalla de la PDA. Modo ARToolkit (encontrando marcadores): Se captura la imagen, en la que hay un marcador presente, ARToolkit procesa la imagen y se visualiza en la pantalla de la PDA señalizando la posición del marcador con una objeto 3D.

En la Tabla 1 se muestra el rendimiento medido en FPS obtenido en las pruebas con las cámaras de Spectec y HP.

Tabla 1. Tabla de rendimiento de las cámaras en distintas resoluciones

Spectec HP Spectec HP Spectec HP

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Modo visualización 160x120 240x180 320x240 38,91 32,84 36,74 19,61 10,59 Modo ARToolkit (sin encontrar marcadores) 22,43 12,13 8,09 13,13 8,86 Modo ARToolkit (encontrando marcador) 19,99 11,98 9,85 12,52 8,22

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Cómo se puede ver en la tabla del modo visualización, la cámara Spectec permite obtener un rendimiento mucho mejor que la cámara HP. Puede extrañar que con la resolución 320x240 pixels con la Spectec se obtengan más FPS que con 240x180 pixels. Esto es debido a que con 320x240 pixels se puede llenar la pantalla exactamente, mientras que con 240x180 pixels y 120x160 pixels hay que realizar un escalado de la imagen al doble y al triple respectivamente. En los siguientes modos las diferencias entre las cámaras ya no son tan claras debido a que el cálculo de la ARToolkit ejerce mucha más influencia en el rendimiento. El mismo efecto se puede ver en que en la segunda y tercera prueba se obtienen menos FPS con 320x240 pixels que con 240x180 pixels, a pesar del escalado de la imagen. La PDA Dell AXIM es una de las PDA más potentes que se pueden encontrar actualmente en el mercado con un procesador de 624 Mhz y una interfaz SDIO mejorada. También se observa que la cámara de Spectec obtiene mejor rendimiento en casi todas las pruebas que la otra cámara analizada. Partiendo de que las aplicaciones de RA desarrolladas son sensibles al ruido, es muy importante la resolución de la imagen. La resolución 160x120 pixels es insuficiente cuando lo que se quiere detectar se encuentra algo alejado del objetivo de la cámara. Por lo tanto se debería utilizar siempre una resolución de 240x180 pixels o, mejor aún, 320x240 pixels. La cámara de Spectec es la única probada que ofrece una tasa de fotogramas por segundo aceptable en estas resoluciones, y obtiene una tasa de aproximadamente 30 FPS en el modo visualización de imagen. Esta cámara de Spectec funciona además con todas las resoluciones y es compatible con Windows Mobile 2003 y sus defectos más destacables son una imagen recogida no todo lo limpia que se desearía y un formato del mismo tipo paisaje, por lo que no coincide con la pantalla de la PDA (esto obligó a rotar físicamente la lente en el interior del chasis de la cámara para la realización del estudio). La otra cámara que se ha podido estudiar es la de la marca HP, manteniéndose el mismo problema de formato de imagen tipo paisaje.

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4. Aplicaciones demostrativas Se han desarrollado una serie de aplicaciones de RA para mostrar el potencial que esta tecnología puede ofrecer y para medir su rendimiento. Estas aplicaciones están dirigidas principalmente para sistemas móviles, como PDA o tabletPC. A continuación se explica cada una de las aplicaciones desarrolladas para las distintas plataformas. 4.1. PDA Las aplicaciones creadas para esta plataforma se han desarrollado utilizando el entorno gratuito Microsoft eMbedded Visual C++ 4.0. Todas las aplicaciones han sido probadas en la PDA HP Ipaq h5550 y en la Dell AXIM x30. A continuación se describen las aplicaciones de RA creadas para el entorno PDA: 4.1.1 Aplicación “Guía”

Esta aplicación tiene como finalidad guiar rápidamente al usuario por un recinto hasta el destino requerido por él. Pudiendo ser este destino un libro dentro de una biblioteca, un paquete en un almacén, etc... En nuestro escenario se guía al usuario por una planta de un edificio para que localice el panel informativo sobre el proyecto elegido, estando estos paneles distribuidos a lo largo de dicha planta. El desarrollo de esta aplicación se ha basado en una similar.

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Figura 1. Pasillo con paneles informativos y junto a cada uno de ellos su marcador de ARToolkit

Tal y como se ve en la fotografía se ha situado un marcador de ARToolkit junto a cada panel explicativo de proyecto. En el diálogo inicial de la aplicación “Guía” el usuario selecciona de una lista desplegable el nombre del proyecto que desea conocer. El usuario tiene también la posibilidad de elegir si quiere funcionar con conexión o sin ella a un servidor de aplicación. Acto seguido se muestra en pantalla completa la imagen capturada por la cámara; en la parte inferior de la pantalla se muestra el plano 2D de la planta y el destino marcado con una (x). Cuando la aplicación detecta un marcador, la posición de éste aparece en el plano representado por un punto azul oscuro, así como la posición del usuario representado por un punto cyan y una flecha 3D que indica al usuario la dirección que debe seguir. Una vez el usuario alcanza el cartel del proyecto la aplicación avisa visualmente al usuario.

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Figura 2. Fotografía del usuario con el PDA y captura de la aplicación

Durante el guiado del usuario, una vez conocidas las posiciones del mismo y la del destino en el plano, se podría calcular la dirección de la flecha de modo que esta apunte directamente al destino; sin embargo, esto no se realiza así, ya que, como se verá más adelante, podría guiar al usuario por un camino incorrecto. La flecha debe indicar hacia dónde debe ir el usuario. Para conseguir esto se crea un grafo uniendo los marcadores vecinos, donde los marcadores representan los nodos y los enlaces tienen un peso que es la distancia que separa a los marcadores. Para conocer hacia dónde debe apuntar la flecha, se utiliza el algoritmo de Dijkstra [14] para obtener el camino mínimo entre el marcador actual y el marcador de destino. Entonces la flecha tomará la dirección que une el marcador actual con el siguiente marcador del camino. En la Figura 2 se representa un caso hipotético: en la parte izquierda, un plano imaginario con marcadores (puntos rojos) y marcador destino (punto verde). Uniendo los marcadores se representa el grafo mediante líneas curvas y discontinuas. Se supone que el usuario quiere ir al marcador destino y se encuentra junto al marcador 1. En el centro de la figura se representa el camino que seguiría el usuario si la flecha apuntase directamente al destino. El usuario seguiría la flecha azul, entraría en la sala que contiene el marcador 4 y la flecha seguiría apuntando en la misma dirección indicándole que atravesase la pared. Como se puede comprobar, sería muy confuso para el usuario. En la parte derecha se representa cómo guiaría al usuario la aplicación. Primero le enviaría al marcador 2, luego al 3 y finalmente al destino, 44

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y es un camino lógico y reproducible por el usuario. Si además existiese la posibilidad de recorrer diferentes caminos para llegar al destino, la aplicación guiaría al usuario por el camino de menor distancia. Para la realización de esta aplicación se utiliza la librería ARToolkit, en concreto la versión para pocketPC. Para los gráficos se ha utilizado la librería gráfica Klimt (http://studierstube.org/klimt/index.php), que se comentará en la Sección 5. Se debe comentar que debido al escaso rendimiento ofrecido por la PDA se ha optado por implementar una serie de variantes. Debido a que todo el coste computacional de la aplicación se reparte entre la captura de la imagen de la cámara y el proceso de ARToolkit, se pensó en comunicar el PDA y el TabletPC a través de una conexión inalámbrica para compartir parte de dicho trabajo entre ambos:

Figura 3. Esquema de comunicación de la aplicación

•

En un modo de funcionamiento la PDA trabaja en solitario realizando todo el trabajo, esto es: capta la imagen, la procesa para detectar los marcadores, accede a la base de datos donde se encuentra la información referente a los marcadores, calcula el camino por Universidad Autónoma de Occidente

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donde debe ir el usuario y añade los gráficos. En caso de que la base de datos fuese grande sólo podría acceder el TabletPC y por lo tanto la PDA debería acceder a través de este último. También al crecer la base de datos crecería el grafo y por tanto el algoritmo de Dijkstra se haría demasiado pesado para la PDA, por lo que no quedaría más remedio que apoyarse en un servidor. •

En otro modo, la PDA capta la imagen y se la envía al TabletPC. La imagen se binariza y se comprime en la PDA para minimizar el coste del envío. El TabletPC realiza el procesado de la imagen y le responde a la PDA indicándole el camino que debe tomar el usuario. Junto a esta información, la PDA añade los gráficos.

4.1.2 ARToolkit base

No es exactamente una aplicación, pero utilizando todo lo desarrollado se ha creado un marco de trabajo que sirva como base para el futuro desarrollo de nuevas aplicaciones de RA que hagan uso de cámara, ARToolkit y gráficos 3D. Es una potente plataforma de desarrollo que permite, de forma sencilla y rápida, la construcción de aplicaciones de RA.

Figura 4. Izquierda, plano de la planta con los marcadores unidos por líneas discontinuas representando el grafo. En el centro, camino incorrecto. A la derecha, el camino correcto

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4.1.3 Aplicación GPS

También se ha experimentado en la combinación del GPS y la PDA aprovechando la conectividad bluetooth del mismo. La aplicación sitúa la PDA en un plano de una ciudad. Para el manejo del GPS (Navman) se ha utilizado la versión shareware de la librería MarshallSoft GPS Component para eVC (MGC4eVC) y pocketPC. Esta librería implementa el protocolo NMEA aportando una interfaz muy sencilla para la obtención de datos del GPS. 4.2. PC Para entorno PC se ha adquirido fundamentalmente conocimiento específico en RA, asimismo se han desarrollado módulos y marcos de trabajo que sirvan como base para el futuro desarrollo de aplicaciones. Por ejemplo, se ha desarrollado un módulo que permite la rápida y sencilla inicialización y adquisición de imágenes de webcams y cámaras firewire utilizando DirectShow y la librería DSVideloLib de Thomas Pintaric. También se ha realizado una aplicación, utilizando ARToolkit con varias cámaras al mismo tiempo y el módulo citado anteriormente. Esto no ha sido tarea sencilla porque ARToolkit fue desarrollada en C y sólo está preparada para funcionar con una cámara, por lo que ha sido necesario cambiar varias partes de su código. También se ha incluido OpenCV en esta aplicación. OpenCV es una librería de código abierto desarrollada por Intel que ofrece una gran cantidad de algoritmos de visión por computador. Para las pruebas de aplicaciones de RA en este entorno se ha utilizado un tabletPC Toshiba Portégé M200 Intel® Pentium Centrino™ 1.6GHz y 256 MB de RAM. Para la captación de imágenes se ha utilizado una webcam usb Logitech Quickcam adherida a la parte trasera del tabletPC. A continuación se describen las aplicaciones de RA creadas para el entorno TabletPC:

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4.2.1 Aplicación “Guía”

Esta es la aplicación equivalente a la explicada anteriormente en entorno PDA, ya que antes de realizar el desarrollo en dicho entorno se prefirió realizarlo en el TabletPC, debido a que se disponía de un mayor conocimiento de desarrollo de aplicaciones en él. Para dicha tarea se utilizó Microsoft Visual Studio .NET 2003, la librería ARToolkit 2.65 y OpenGL para los gráficos. 4.2.2 Aplicación “Expositores”

Esta aplicación resulta un complemento de la anterior, consistente en insertar información adicional a los paneles informativos de proyectos. De este modo se añaden datos suplementarios (video, imágenes, texto) a los ya aportados por el propio panel. Uno de los posibles usos de esta aplicación se encontraría por ejemplo en museos para dar información a los visitantes sobre las obras de arte expuestas. Para el desarrollo de esta aplicación se ha utilizado AMIRE [15]. Este es un entorno para el desarrollo rápido de sencillas aplicaciones de RA. Así, la imagen es captada por la webcam situada en la parte posterior del TabletPC, y esta imagen es procesada para encontrar los marcadores y determinar a qué proyectos pertenecen. Acto seguido se calcula la posición y orientación de los marcadores y por último se añaden los gráficos sobre el video. Al detectarse un marcador, el nombre del proyecto asignado a dicho marcador aparece en la parte superior derecha de la pantalla, así como una flecha señalando el centro del marcador. Entonces el usuario dispone de una serie de botones que aparecen en la parte inferior izquierda de la pantalla, para acceder a la información adicional. Así, pinchando sobre el botón Imagen aparece una imagen del proyecto en cuestión que se sitúa sobre el panel y en su mismo plano. También el usuario puede ver lo mismo con un video. El último botón muestra un texto descriptivo del proyecto que se sitúa en toda la pantalla sobre la imagen.

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Figura 5. TabletPC y aplicación

4.2.3 GPS

Se ha realizado una aplicación para el posicionamiento mediante GPS similar a la creada para el entorno PDA. Obtiene las coordenadas y el rumbo del receptor GPS y lo posiciona en un mapa previamente cargado. Se desarrolló en el entorno Microsoft Visual Studio .NET 2003, utilizando la librería MarshallSoft GPS Component para C/C++ (MGC4C) y OpenGL para los gráficos.

5. Librerías gráficas 3D para dispositivos móviles 5.1. Introducción En este apartado se realiza un análisis de librerías de renderizado de gráficos 3D para dispositivos móviles. Las librerías analizadas han sido Vincent (http://ogl-es.sourceforge.net) y Klimt, y ambas son implementaciones del API OpenGL ® ES, si bien sólo la primera es una implementación certificada, dirigidas a PDA y teléfonos móviles. Las dos librerías utilizan la representación en coma fija (fixed-point) como tipo de datos interno así como la librería de Intel GPP (Graphics Performance Primitives) para mejorar el rendimiento. Universidad Autónoma de Occidente

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La especificación OpenGL ® ES es un estándar reciente que define un subconjunto del API OpenGL ® dirigido a dispositivos móviles. Proporciona una flexible y potente interfaz de bajo nivel entre el software y el hardware de aceleración de gráficos. Ya hay en el mercado procesadores específicos (ATI, Nvidia,...) para la aceleración de gráficos 3D en dispositivos móviles mediante este API. También hay dispositivos que ofrecen estas posibilidades. 5.2. Análisis Para medir el rendimiento de estas librerías se ha realizado una aplicación que comprueba algunas características importantes: • • • • •

Sólido: Renderizado de un modelo sólido formado por 732 triángulos. Wire: Renderizado del mismo modelo pero en modo alambre, texturado e iluminado. Textura: El mismo modelo aplicándole una textura. Iluminación: Añadiéndole iluminación por vértice. Varios: Renderizado de cinco instancias texturadas e iluminadas del mismo modelo.

La aplicación creada consiste en la ejecución de las fases citadas anteriormente, empleando unos segundos para cada una de ellas. Durante dicha ejecución se miden tiempos, así como el rendimiento global. La prueba se ha realizado en una PDA, concretamente la Dell Axim x30 a una resolución de 320X240 pixels. En la siguiente gráfica se puede ver una comparativa de los tiempos obtenidos durante la ejecución del programa usando cada librería. Los tiempos que se han medido han sido: • • 50

Clear: Tiempo invertido en limpiar los buffers de color y profundidad. Render: El tiempo que cuesta el renderizado.

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•

Blit: El tiempo invertido por la librería en rellenar el buffer de pantalla.

Figura 6. Tiempos de las librerías 3D

Como se puede observar en la Figura 6, no hay gran diferencia entre los tiempos obtenidos. El tiempo de limpieza de buffer usando la librería Vincent es 0.01ms, por eso no se aprecia en la gráfica. Esto mismo se puede comprobar en la Figura 7. En ellas se compara la tasa de fotogramas por segundo alcanzada en cada una de las fases y la media total.

Figura 7. Rendimiento de las librerías 3D

Las dos librerías ofrecen características muy similares. Esto supone que no es demasiado importante la elección que se realice a la hora de decantarse por una de ellas, ya que: Universidad Autónoma de Occidente

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• • • •

•

El rendimiento ofrecido por las dos librerías es prácticamente el mismo. Las dos son muy parecidas a OpenGL ® y por lo tanto muy sencillas de utilizar. Las dos están bien documentadas. Si bien un inconveniente de Klimt frente a Vincent es la falta de acceso a la memoria de video por lo que es el desarrollador quien debe aportar el framebuffer. Para facilitar esta tarea existe PocketHal, una librería que ofrece acceso al hardware, y la librería PocketKnife, desarrollada por el mismo grupo que ha desarrollado Klimt. El hecho de que las librerías analizadas estén basadas en OpenGL ® ES asegura una sencilla portabilidad a sistemas que ofrezcan soporte hardware de aceleración de gráficos 3D. Aunque se debe tener en cuenta que sólo Vincent es una implementación certificada.

6. Rendimiento de distintas soluciones cliente y/o servidor entre PDA y TabletPC para aplicaciones RA En la aplicación “Guía” desarrollada para PDA el rendimiento no es demasiado bueno, debido a que las PDA todavía no tienen demasiada capacidad de proceso, unido a que las cámaras para estos dispositivos también son lentas. Así, la mayor parte del coste de la aplicación se distribuye entre la captura de la imagen de la cámara y el proceso que realiza ARToolkit para detectar marcadores en la imagen. Para mejorar el rendimiento se ha implementado otra versión como en [16], [18], en la que la PDA se apoya en un servidor, delegando en él todo el trabajo que no sea indispensable realizar en la PDA. A continuación se representan el diagrama de flujo de las dos versiones que se han implementado y se razonará por qué se ha decidido implementarlas.

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Figura 8. Versiones solo y con servidor

En la versión SOLO todo el trabajo lo realiza la PDA. En la versión SERV la PDA comparte el trabajo con el servidor. Los procesos con fondo gris de la Figura 8 representan los que cambian de una versión a otra. Los procesos que se realizan se describen a continuación: • • • • • •

Cámara: Coger un fotograma de la cámara. AR: Procesado de la imagen por parte de ARToolkit. Camino: Cálculo del camino que debe seguir el usuario. Consiste en el cálculo del algoritmo de Dijkstra por el grafo de marcadores. Binarizar: Proceso que convierte una imagen RGB a una de blanco y negro. Comprimir: Comprimir la imagen binarizada. Enviar: Enviar la imagen comprimida al servidor.

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• • • •

Recibir: Recibir la información: matriz de transformación, camino, etc. PintarI: Rellenar el buffer de renderizado con el fotograma Render: Renderizar el mapa, flecha, etc… Buffer: Volcar el buffer de renderizado sobre la pantalla.

Para medir el rendimiento se ha realizado una comparativa entre las versiones. El hardware utilizado para la comparativa ha sido: la PDA Dell AXIM x30 con la cámara Spectec SD, TabletPC Toshiba Portégé M200 y para la comunicación se ha utilizado una conexión wireless 802.11b a través de un punto de acceso. Como medidas de rendimiento se han utilizado la media de los fotogramas por segundo y su desviación típica. Esta medida es importante ya que el rendimiento varía mucho dependiendo de si hay marcador en la imagen y del tamaño del mismo; asimismo se han medido los tiempos de los procesos que varían de una versión a otra. A continuación se muestra el rendimiento de la aplicación con tres resoluciones: 160x120, 240x180 y 320x240. En todas ellas se muestra primero una gráfica con la media y desviación típica de fotogramas por segundo y después una comparativa de los tiempos consumidos por los procesos que distinguen una versión de la otra. Así se verá qué rendimiento obtenemos con esa resolución y se entenderá por qué se obtiene ese rendimiento en cada una de las versiones. En la segunda gráfica hay que tener en cuenta que los tiempos de renderizado y volcado del buffer son siempre los mismos, independientemente de la resolución utilizada comprendiendo un total de (~15ms). 6.1. Resolución 160x120 El rendimiento en la versión Serv es peor, como se ve en la Figura 9. Esto es debido a que en esta versión se sustituyen los procesos AR y Camino, aproximadamente 25 ms en suma, por los procesos de BinComp (Binarizar y comprimir), Enviar (la imagen) y Recibir (la información), que suman ~ 49 ms. Sin embargo, la desviación típica es mucho menor, esto es porque el proceso de ARToolkit siempre cuesta lo mismo, inde54

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pendientemente de que haya marcador en la imagen o no. En definitiva se puede decir que, con esta resolución, la segunda versión no mejora el rendimiento.

Figura 9. Tiempos de la aplicación con resolución 160x120

6.2. Resolución 240x180 En la Figura 10 se puede ver lo mismo que en la anterior. Se sustituye ~ 42 ms por ~ 76 ms. Sin embargo, la desviación típica sigue siendo mucho menor en la versión Serv. Esto produce que la versión Solo, en el peor de los casos, puede ir a ~6 fps, mientras que la versión Serv siempre irá a

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~8 fps.

Figura 10. Tiempos de la aplicación con resolución 240x180

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6.3. Resolución 320x240

Figura 11. Tiempos de la aplicación con resolución 320x240

En todas las gráficas observamos lo mismo, la versión Serv ofrece una menor tasa de fotogramas como media. Sin embargo, la desviación típica es mucho menor que en la versión SOLO en todas las resoluciones. Esto se debe a que el cálculo de ARToolkit en el servidor siempre cuesta aproximadamente lo mismo haya o no marcador en la imagen e independien-

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temente del tamaño del mismo. En cambio en la versión SOLO la tasa de fotogramas varía mucho dependiendo de si hay marcador o no. Esta variación queda reflejada en la desviación típica. En definitiva, la versión Servidor es más lenta pero más estable en cuanto a la tasa de fotogramas por segundo, mientras que la versión Solo presenta un rendimiento con mayor inestabilidad. Si bien hay que tener en cuenta que la versión Solo tiene un gran inconveniente y este es que en la aplicación de demostración el número de marcadores es muy pequeño y por lo tanto el cálculo del algoritmo Dijkstra en la PDA es rápido. Sin embargo, una aplicación real requeriría un número elevado de marcadores, lo que obligaría a realizar el cálculo en el servidor. Además, la base datos crecería impidiendo instalarla en la PDA, por lo que ésta tendría que acceder a la base de datos a través del servidor.

7. Conclusiones Con este artículo se ha pretendido dar una visión general de las posibilidades que ofrecen actualmente los dispositivos móviles para aplicaciones de realidad aumentada y ayudar a quien se decida a desarrollar este tipo de aplicaciones. Como se ha visto, los recursos que ofrecen estos dispositivos son suficientes para aplicaciones sencillas. Si lo que se necesita es aplicar complicados algoritmos de visión por computador, como por ejemplo reconocimiento y seguimiento de objetos 3D, o presentar gráficos 3D realistas, es evidente que se debe esperar un tiempo a que el desarrollo de hardware avance. Para este tipo de aplicaciones se necesita más capacidad de proceso y de hardware 3D avanzado. Los TabletPC sí que cumplen estos requisitos; sin embargo, no son tan portables como las PDA o los teléfonos móviles. Si nos apoyamos en un servidor entonces el ancho de banda de la conexión se transforma en el cuello de botella. Otro dato que se ha comprobado con las aplicaciones desarrolladas es que si el dispositivo móvil (PDA) se apoya en un servidor, entonces el ancho de banda se transforma en el cuello de botella.

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Capítulo 3

Metodologías que soportan el desarrollo de entornos virtuales Jesús David Cardona Q. Departamento de Ciencias de la Información Grupo de Investigación en Ingeniería de Software - GIISOFT Universidad Autónoma de Occidente [email protected] Cali - Colombia Héctor Castán Rodríguez. Universidad Pontificia de Salamanca, [email protected] Campus Madrid

Resumen Este capítulo revisa las distintas aportaciones realizadas hasta el momento tanto a nivel metodológico como de proceso, sobre los cuales es posible plantearse el desarrollo de EV. Se hace énfasis en aquellos aspectos considerados de interés para los objetivos del presente trabajo y que dan soporte a la propuesta que se plantea en capítulos posteriores. Se ha dividido la revisión en tres grandes grupos: procesos de desarrollo estándar, metodologías y procesos genéricos, y finalmente, propuestas realizadas por distintos autores para el desarrollo específico de EV.

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1. Procesos de desarrollo estándar Existen diversos organismos en todo el mundo que intentan proporcionar algún tipo de estándar para la construcción de software. Este objetivo, motivado por la crisis del software de finales de los 60, pretende así equiparar la construcción de software a cualquier otro tipo de desarrollo dentro de la ingeniería. En la actualidad existen muchos estándares, modelos de proceso, etc. [1], y los más representativos son los estándares ISO/IEC 15288:2002 “Systems engineering - System life cycle processes” [2] e ISO/IEC 12207:1995/Amd 2:2004 “Information technology – Software life cycle processes” [3], [2], [4]. 1.1 Estándar ISO/IEC 15288 Es el primer estándar ISO que se ocupa de los procesos del ciclo de vida de un sistema, considerando hardware, software e interfaces hombre máquina. El ISO/IEC 15288 fue publicado en octubre de 2002 con el fin de abarcar dentro de su marco de trabajo el ciclo de vida de sistemas hechos por el hombre, desde la concepción de la idea hasta el retiro del sistema. Provee los procesos para la adquisición y abastecimiento de productos y servicios que son configurados por uno o más de los siguientes tipos de componentes de sistema: hardware, software e interfaces hombre máquina. Este marco de trabajo también provee insumos para la evaluación y mejora del proyecto del ciclo de vida. Este estándar internacional está formado por un conjunto de procesos amplios e integrales con los cuales una organización puede construir modelos de ciclo de vida apropiados al producto, tipos de servicio y mercado objetivo. Una organización puede seleccionar y aplicar un subconjunto determinado de procesos para cumplir a cabalidad su propósito.

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Figura 1. Estructura de procesos de ISO/IEC 15288

El estándar puede ser usado de diferentes formas: •

• •

Una organización podría usar el estándar para establecer un entorno de procesos deseados que pueden soportarse sobre la base de una estructura de personal capacitado, utilización de métodos específicos, procedimientos, técnicas y herramientas. Este entorno puede ser empleado por la organización para dirigir sus proyectos y facilitar el progreso a través de las etapas del ciclo de vida. Un proyecto dentro de una organización podría usar el ISO/IEC 15288 para seleccionar, estructurar, utilizar y ejecutar los elementos del entorno establecido para proveer productos y servicios. El estándar puede también ser usado a través de contrato o convenio dentro de la relación proveedor y adquirente, con el objetivo de seleccionar, acordar y llevar a cabo procesos y actividades del estándar. Adicionalmente, de esta forma, también puede ser usado para evaluar la conformidad en el cumplimiento del acuerdo entre las partes. Universidad Autónoma de Occidente

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Este estándar de procesos de ciclo de vida de sistemas agrega valor en el diseño y mantenimiento de sistemas más eficientes y de mayor calidad. La Figura 1 muestra la estructura de procesos del estándar. 1.2. Estándar ISO/IEC 12207:1995/Amd 2:2004 Este estándar fue publicado en 1995, con una primera mejora en el 2002 y una segunda en el 2004, donde se definen los requisitos para la adquisición, abastecimiento, desarrollo, operación y mantenimiento de software. Los procesos especificados en el estándar cubren de forma completa el ciclo de vida del software, desde el concepto de diseño hasta el estado obsoleto del software. El ISO/IEC 12207 está dirigido principalmente a organizaciones implicadas en el desarrollo de software a la medida o por encargo. Sin embargo, también puede ser aplicado en la operación de una organización con el objetivo de cubrir los requisitos internos. El estándar incluye algunos procesos generales que son presentados en ISO 9001, como documentación, registro, aseguramiento de la calidad, auditoría, responsabilidad de la dirección, infraestructura, mejora, entrenamiento, entre otros. La Figura 2 muestra una visión general del estándar. Estos estándares, y más concretamente los procesos técnicos de ISO/ IEC 15288 y los procesos software de la ISO/IEC 12207, serán tomados como referencia a la hora de evaluar las metodologías concretas que se puedan aplicar al desarrollo de entornos virtuales.

2. Metodologías y procesos de desarrollo genérico En la actualidad existen múltiples metodologías y/o procesos que pueden apoyar el desarrollo de la mayoría de las aplicaciones software (XP, Scrum, MSF, ASD, DSDM, Crystal Clear, METRICA, RUP), aunque es posible diferenciarlas en dos corrientes bien diferenciadas: la de los parti64

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darios de las metodologías ‘tradicionales’ o ‘de gran diseño abierto’ y la de los partidarios de las metodologías ‘ágiles’ o ‘ligeras’.

Procesos de implementación

Análisis de requisitos del sistema

Análisis de requisitos del software

Proyecto

Diseño de la arquitectura del sistema

Diseño de la arquitectura del software

Sistema

Instalación del software

Soporte de aprobación de software

Integración del sistema

Prueba requisitos del sistema

Prueba requisitos del software

Software

Integración del software Diseño detallado del software

Codificación y prueba

Figura 2. Visión general ISO/IEC 12207

Básicamente la diferencia se puede centrar en lo relacionado con la documentación del proceso de desarrollo; las metodologías ágiles están en contra de hacer un énfasis excesivo en redactar documentación que quizá no aporta un beneficio real al objetivo principal de un desarrollo que es alcanzar software efectivo. Dado que la mayoría de los lenguajes en los que se pueden o suelen desarrollar los EV son orientados a objetos, se hará una breve revisión de las metodologías que cubren este paradigma. Probablemente las metodologías más extendidas, aunque sería más correcto hablar de procesos de desarrollo, puesto que no cubren todas las etapas fijadas para una metodología, son RUP (Proceso Unificado de Racional – Rational Unified Process) y XP (eXtreme Programming). Ambos procesos de desarrollo han sido creados a partir de “mejores prácticas” recogidas por sus autores en el desarrollo de software. Universidad Autónoma de Occidente

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RUP ofrece una aproximación disciplinada a la asignación de tareas y responsabilidades dentro de una organización de desarrollo, asegurando la producción de software de calidad que satisfaga las necesidades de los usuarios finales dentro de un calendario y un presupuesto predecibles. El hecho de que esté dirigido por casos de uso permite asegurar que todo el proceso de desarrollo es permanentemente validado contra los requisitos. Además, al ser iterativo e incremental ayuda a realizar un desarrollo en el que muchas de las decisiones están basadas en la experiencia de las iteraciones previas y en las que el cliente puede ir viendo y valorando resultados intermedios. En la Figura 3 se puede ver la estructura del proceso de desarrollo.

Figura 3. Estructura del proceso de desarrollo de RUP

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Figura 4. Estructura de un proyecto XP

XP (eXtreme Programing), paradigma de las metodologías ‘ágiles’, es una de las metodologías de desarrollo de software con más éxito en la actualidad para el desarrollo de proyectos de tamaño pequeño o mediano, con un reducido equipo de desarrollo y con plazos de entrega muy próximos en el tiempo. La metodología consiste en una programación rápida (ver Figura 4), cuya particularidad es tener como parte del equipo al usuario final. Los principales puntos de apoyo de XP son: (1) pruebas unitarias sobre los principales procesos realizadas con anticipación para encontrar futuros errores (2) refabricación (refactoring) mediante la reutilización de código y (3) programación en pares haciendo que dos desarrolladores compartan la misma estación de trabajo realizando cada uno actividades complementarias. La aplicación de alguno de estos dos procesos de desarrollo, o de cualquier otro proceso de desarrollo o metodología, a la construcción de entornos virtuales es una asignatura pendiente. De hecho, algunos trabajos apoyan las metodologías orientadas a objetos con prototipado rápido para el desarrollo de entornos virtuales [5], [6], mientras que otros son más generalistas, y afirman que los entornos virtuales pueden seguir cualquier proceso y guía recomendados según los principios de la interacción hombre máquina [7]. En ambos casos, es importante resaltar que un método Universidad Autónoma de Occidente

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que permita realizar prototipos que puedan ser probados por los usuarios en etapas tempranas del desarrollo, como es el caso del ciclo de vida iterativo, permite realizar modificaciones importantes sin que esto implique haber desperdiciado la mayor parte del esfuerzo realizado hasta el momento. Sin embargo, diversos autores señalan que, en la mayoría de los casos, los entornos virtuales no se diseñan, si no que van evolucionando por la participación de las personas involucradas en su desarrollo [8]. Otros afirman que la tendencia actual es desarrollar un entorno cada vez que se necesita [9]. En cualquier caso, el hecho de que las metodologías y procesos de desarrollo genéricos no estén extendidos no se debe solo a una falta de interés por parte de los desarrolladores de entornos virtuales. Existen trabajos que demuestran que, al igual que en otros tipos de desarrollo, es necesario adecuar la forma de desarrollar software a la construcción de entornos virtuales. Aspectos como el diseño gráfico son difíciles de incluir dentro de los procesos genéricos. Por este motivo, muchas de las investigaciones intentan completar los procesos de desarrollo para adaptarlos a la construcción de entornos virtuales.

3. Propuestas específicas para el desarrollo de EV Varios autores han revisado aspectos relacionados con el desarrollo de EV, cada uno ha entregado propuestas que pueden abarcar el ciclo completo de desarrollo, partes del proceso, o simplemente una serie de recomendaciones que consideran pueden ser útiles cuando se enfrenta el desarrollo de sistemas de las características de los EV, como las de Alexandre T.[10], en las que se propone el uso de algunos patrones de diseño para facilitar y mejorar el desarrollo de entornos virtuales en red, o la de Kim G. [11], que propone el uso de diagramas de flujo de datos y diagramas de estados para la formalización del binomio estado/comportamiento. Este apartado hace un recorrido sobre aquellas propuestas que pueden agruparse dentro de la categoría de propuestas de desarrollo completo para EV.

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Las metodologías revisadas aportan elementos para el desarrollo de EV, elementos que pueden agruparse en actividades para formar fases de un proceso completo. 3.1. Estructura de desarrollo de entornos virtuales La estructura de desarrollo de entornos virtuales, conocida por el acrónimo VEDS (Virtual Environment Development Structure), es un marco de trabajo estructurado que guía el desarrollo de EV. VEDS ha sido propuesto por el grupo de investigación en aplicaciones de realidad virtual (VIRART) de la Universidad de Nottingham y son varias las generaciones del marco de trabajo que se pueden encontrar desde la propuesta inicial en WILSON96 [12], hasta llegar a la versión actual presentada en WILSON02 [13]. Varias publicaciones y trabajos de tesis doctoral [12], [14], [15], [7], [13], [16] han mostrado la evolución de la propuesta, además de mostrar casos en donde se ha validado la misma. VEDS está conformado por seis fases: preparación, análisis, especificación, construcción, implementación y evaluación. Una aproximación top down de VEDS aparece en la Figura 5, donde se muestra cómo el proceso está conformado por conjuntos de actividades, a través de las cuales es posible alcanzar los objetivos propuestos para cada una de las fases. VEDS inicia con la fase de preparación, en donde se buscan las necesidades del dominio del problema, los objetivos de la aplicación y se realiza la especificación del sistema. Además se buscan las posibles tecnologías alternativas y se definen los criterios de evaluación. Una vez se ha reunido suficiente información sobre el dominio del problema y se tienen claros los objetivos de la aplicación, se pasa a la fase de análisis. Los primeros pasos en el desarrollo de EV, dirigidos a la identificación de las necesidades de los usuarios, deberían considerar: evaluar qué tareas deben ser completadas en el EV y en consecuencia en el mundo real; determinar cuáles son las necesidades y características de los usuarios del EV y, finalmente, realizar un análisis de las tareas que ha de realizar la aplicación. Lo anterior debería permitir al cliente y al desarrollador, junto con el profesional en ergonomía o psicólogo, especificar los objetivos que

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deben ser alcanzados por el EV, al mismo tiempo que se sugiere priorizar estos objetivos. El punto de partida clásico para la aplicación de los conceptos de ergonomía en el diseño de sistemas, después de la especificación de los objetivos y las restricciones, es el análisis de las tareas y del usuario. En el desarrollo de EV, si la intención es realmente permitir una réplica cognitiva (si no siempre física) de la interacción con el mundo real, entonces el análisis de las tareas debe ser llevado a cabo dos veces, primero para las tareas reales que son modeladas –el análisis de las tareas de la aplicación– y en segundo lugar, para las tareas que son llevadas a cabo dentro del EV –el análisis de tareas virtual– El primer análisis es axiomático para el desarrollo de sistemas HCI, a través de este, se entiende qué tareas deben ser desarrolladas dentro del dominio donde el sistema será usado y los requisitos o restricciones que éste impondrá a las personas involucradas. La fase de análisis provee información, conceptos y un conjunto de requisitos sobre los cuales se fundamentará el diseño conceptual y especificación del EV. A continuación se enumeran algunas decisiones que pueden ser tomada a partir del análisis de las tareas de la aplicación y del análisis de tareas virtual según VEDS: • • • • • • • • • • • •

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Grado de realidad deseable: réplica del mundo real, altamente abstracta Tipo de presencia Participantes: uno, pocos, muchos Colaboración temporal: ninguna, sincrónica, asincrónica Vista de escala Visión: monocular, binocular, estereoscópica Manipulación: ninguna, una mano, cualquier mano, ambas manos, todo el cuerpo Resolución: gruesa, fina Movilidad: estacionaria, anclada al suelo, volar Control: pasivo, presentación activa de la escena Estado del mundo: transitorio, persistente Pistas sensoriales: visuales, auditivas, hápticas, olfativas

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En la fase de especificación se busca priorizar los objetivos del entorno virtual, definir los conceptos de diseño y los guiones gráficos (storyboard), realizar la adquisición de recursos (información para la representación de los objetos) y analizar las tareas virtuales. A partir de la aplicación del análisis de las tareas de la aplicación y el análisis de tareas virtual, se puede realizar alguna selección sobre la estructura y funcionalidad del EV. Además de los análisis, el objetivo del EV debe ser especificado en términos de sus propósitos, tareas de usuario, complejidad y balance entre interactividad y exploración ofrecida. Esta especificación debe luego ser acordada entre el equipo de desarrollo del EV y el cliente, la forma más común de hacerlo es con el desarrollo de guiones gráficos. En VEDS definen un storyboard como un conjunto de marcos, cada uno apoyado de imágenes y palabras para describir una escena de la experiencia ofrecida por un EV. Esto puede diferir de un guión gráfico para una película, debido a que en un EV no puede ser una simple secuencia narrativa, así es que los vínculos y relaciones entre marcos pueden ser más complejos. Por otra parte, puede no ser necesario mostrar los vínculos entre los marcos si, por ejemplo, la secuencia de acontecimientos no afecta el resultado; en este caso los marcos contendrán descripciones de elementos interactivos dentro de esa parte del EV.

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Figura 5. Aproximación top down de VEDS

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El storyboard puede entonces ser usado por el desarrollador para construir el EV, garantizando durante el proceso que el diseño esta íntimamente ligado a los requerimientos del cliente. Es importante considerar todos los clientes cuando se realiza el guión, si esto no es así, probablemente el resultado es un guión que no reúne los requerimientos solicitados por alguno de los clientes y como consecuencia un EV que no satisface sus necesidades. Un storyboard puede ser gráfico o textual y su contenido dependerá del tipo de EV y tamaño del proyecto. En VEDS entregan un conjunto de elementos potenciales que pueden ser considerados para la construcción adecuada de un guión: • • • • • • • • •

•

Un modelo en alambre o esqueleto de la estructura del EV La escena inicial presentada cuando el primer participante entra en el entorno La disposición esperada de la escena en sitios subsiguientes Alguna narración o instrucciones dentro del EV, ya sea auditiva o textual Imágenes para describir las actividades en las cuales se tiene previsto que el participante forme parte Alguna señal o pista, implícita o explícita que oriente al usuario Una amplia variedad de dispositivos de control y entrada, a través de los cuales el usuario pueda desarrollar las actividades dentro del EV Imágenes para mostrar la consecuencia de varias acciones (tanto correctas como incorrectas) Una secuencia aproximada de eventos que recreen un uso ideal (por ejemplo para entrenamiento); especialmente en aquellos casos donde no se requiere que el usuario realice las tareas en orden determinado Algún vínculo a otros elementos (por ejemplo clips multimedia)

En la fase de construcción se realiza la configuración del sistema, la especificación de la apariencia del entorno virtual, la especificación de las entradas y la retroalimentación, y la construcción y prueba del entorno virtual. En VEDS la construcción de EV es abordada en términos de estrategias y técnicas disponibles para el desarrollador. Después de que las Universidad Autónoma de Occidente

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especificaciones se han completado, la construcción del entorno virtual involucra una serie de decisiones sobre las cuales debe darse respuesta a las necesidades del usuario y de la aplicación. Una decisión fundamental que enfrenta el desarrollador del mundo es donde concentrar el esfuerzo de construcción (en tiempo y creatividad) y recursos de procesamiento computacional, pero igualmente, existen muchos aspectos que debe considerar: la interacción del usuario en el mundo, manipulación de objetos, limitaciones técnicas, sincronizaciones con las entradas de otros usuarios, número de objetos a representar, entre otros aspectos. El aspecto más importante para VEDS que debe ser considerado en la fase de construcción es la interactividad como componente fundamental de la usabilidad, entendiendo interactividad como el medio por el cual una acción por parte del participante genera un cambio o reacción en el EV. Otro aspecto que se resalta es la selección de los objetos que estarán dotados de inteligencia y la forma como los objetos que hacen parte del entorno se dotan de las adecuadas propiedades físicas. En la implementación se permite el uso del entorno, valorando las circunstancias de uso y el rendimiento del usuario En la fase de evaluación, se examinan aspectos como la validez y fidelidad del entorno virtual, la experiencia del usuario (usabilidad, actitudes, efectos psicológicos) y se realiza la evaluación final. Como en todos los procesos iterativos, el resultado de la evaluación final puede hacer que se vuelva a la fase de preparación, comenzando el proceso completo. En cuanto a las evaluaciones VEDS propone evaluar tanto el uso y servicio del entorno virtual, dividiendo tales evaluaciones en análisis de validez, resultados, experiencia de usuario y proceso. 3.2. Propuesta de Vélez El proceso propuesto por Gonzalo Vélez [17] se fundamenta en un proceso cíclico que se repite hasta lograr el producto deseado. Según este autor hay dos enfoques cuando se plantea el desarrollo de un EV: TopDown y Bottom-Up. El primero consiste en el análisis del sistema como un todo, considerando factores como composición, comportamiento, atributos generales de los objetos y las propiedades del espacio virtual. Una vez se 74

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tiene una visión general clara, se desarrollan en detalle los diferentes niveles de especificación. Por otro lado, el enfoque Bottom-Up inicia con un análisis a nivel de detalle hasta llegar a las generalidades del espacio virtual. La propuesta de Vélez se define por una secuencia de etapas, donde siempre se considera la naturaleza del problema y la experiencia del diseñador. La Figura 6 muestra gráficamente las fases del proceso de desarrollo de EV, desde la óptica de su autor. Las etapas que prevé su proceso son: •

•

• • • • • •

Estudio de factibilidad: Definición del alcance y objetivos, además de la recolección de requerimientos del mundo virtual, requerimientos en cuanto a herramientas necesarias, personal, tiempo y costos. Planificación del trabajo: Dependiendo del tamaño del mundo, será necesario realizar segmentación y asignación a diferentes personas. Por lo tanto es fundamental la elaboración de especificaciones y criterios de evaluación generales. En esta fase se selecciona personal, software y hardware requerido. Diseño del mundo virtual: Elaboración de especificaciones y criterios de evaluación detallados. Se tiene en cuenta la interactividad y las necesidades de navegación a través del mundo. Construcción del mundo virtual: Desarrollo de los modelos que hacen parte del mundo virtual, en función de los resultados de la fase anterior. Prueba y control de calidad: Verificación de que se han considerado los estándares y especificaciones planteados inicialmente. Ensayo piloto: Comprobación del comportamiento del mundo generado por usuarios finales, con ámbito limitado. Se realizan ajustes si fuese necesario. Distribución: Hacer accesible el mundo virtual desarrollado a los usuarios finales. Evaluación y ajustes: Una vez distribuido, y tras un tiempo de uso, se recogen observaciones y recomendaciones de los usuarios, con el fin de corregir y ajustar el EV a una nueva versión.

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Figura 6. Propuesta de Gonzalo Vélez

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3.3. Propuesta de Fencott Clive Fencott establece que uno de los principales problemas en el desarrollo de entornos virtuales se debe a que el diseño puede ser interpretado de dos formas distintas [18]: (1) desde el punto de vista de la ingeniería, como conjunto de planos y modelos mediante los cuales se puede construir y probar el sistema; (2) desde el punto de vista del diseño estético de un sistema que crea las respuestas sensoriales deseadas. Su principal crítica es que la ingeniería del software apoya el modelado estructural pero no puede hacerlo para el modelado de la percepción. Las fases propuestas por Fencott, que toma como partida la tesis doctoral de Kaur [19] (ver Figura 7), son: • •

•

•

Modelado de Requisitos: En esta fase los propósitos deben quedar claramente establecidos. Modelado Conceptual: Durante esta fase se realiza la recopilación de materiales, fotografías, esquemas, sonido, video, etc. Es en esta fase donde el/los diseñador/es del entorno virtual conoce el mundo que debe construir, teniendo en cuenta que no tiene por qué corresponderse con un entorno del mundo real (puede ser un entorno inventado o ficticio). Uno de los resultados más importantes de esta fase es la selección del género mediante el cual se proporcionará a la fase de modelado de la percepción la estructura narrativa que ha de ser desarrollada. Modelado de la Percepción: Esta fase intenta modelar la experiencia de los usuarios en el EV, tanto de manera consciente, como inconsciente, con el objetivo de proporcionar realismo al entorno virtual. Las oportunidades de percepción están específicamente definidas sobre la noción de presencia pero pueden ser extendidas para tratarse con la copresencia (presencia conjunta en un entorno virtual). Modelado Estructural: La fase se inicia con decisiones sobre la escala a usar y la construcción de planos y diagramas. Se apoya en las técnicas de la teoría de la interacción para facilitar la descomposición del mapa de percepción construido en la fase de modelado de la percepción. Como resultado de esta fase se obtiene un Universidad Autónoma de Occidente

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•

diagrama de la escena que está fuera del código de la estructura del EV y la programación del comportamiento de los componentes. En términos de la práctica de ingeniería de software el lenguaje de modelado unificado (UML) podría ser utilizado en esta fase. Así, por ejemplo, los diagramas de casos de uso pueden ser construidos para identificar las relaciones entre el usuario y el entorno virtual. Construcción: Esta fase es prácticamente idéntica a la de construcción de la ingeniería de software tradicional.

Figura 7. Estructura del proceso propuesto por Fencott

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3.4. Propuesta de Sánchez Sánchez Segura, en su tesis doctoral [20], propone un proceso para el desarrollo de entornos virtuales habitados por avatares (representaciones tridimensionales de usuarios, agentes, etc.), ya que considera que los entornos virtuales habitados requieren una serie de tareas y técnicas para su desarrollo que no proporcionan las metodologías genéricas. En su tesis doctoral, Sánchez detalla las actividades necesarias para completar el desarrollo de entornos virtuales habitados, ampliando las técnicas y procesos de OMT [21]. Al utilizar OMT como base, en esta propuesta la fase de requisitos se encuentra incluida dentro de la fase de análisis. Las otras fases dentro del proceso de desarrollo son el diseño y la implementación. Además se tienen en cuenta la estimación y la planificación como procesos de gestión y la verificación y validación como proceso integral. Las fases propuestas por Sánchez Segura son: análisis, diseño 3D, diseño de elementos multimedia, diseño de la arquitectura interna de componentes, diseño del sistema, implementación de los componentes de soporte, implementación del módulo principal. A continuación se realiza una breve descripción de cada una de estas fases: • • • •

•

Análisis: dentro de esta fase se deben realizar las tareas de estereotipado del entorno virtual, la definición de requisitos específicos, la conceptualización y los modelos estático y dinámico. Diseño 3D: las tareas que lo integran son la selección y adaptación de diseños 3D existente, el diseño 3D del entorno virtual y el diseño 3D de los avatares. Diseño de elementos multimedia: las tareas que lo integran son la selección y adaptación de diseños multimedia existentes y el diseño multimedia. Diseño de la arquitectura interna de componentes: donde se realiza el modelado de la percepción, la selección y modelado de las características internas de los componentes, el diseño físico de las animaciones y el diseño de modelo de razonamiento y decisión. Diseño del sistema: donde se realiza el modelo estático ampliado, el modelo dinámico ampliado, la descripción detallada de los Universidad Autónoma de Occidente

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•

•

métodos, el diseño de la arquitectura del sistema, el diseño de la persistencia de los datos y el diseño de la interfaz. Implementación de los componentes de soporte: en este proceso se implementan la representación 3D de los avatares y el propio entorno virtual, los elementos multimedia, el software para el control de los dispositivos de realidad virtual y el modelo de la percepción. Implementación del módulo principal: se realiza la construcción de un entorno virtual vacío, al que se le incorpora el software de realidad virtual, los objetos 3D individualmente. Se programan las acciones de los elementos, tanto visuales, como no visuales, que componen el entorno para incorporar a continuación el software de representación de las características internas y el de la percepción. Por último se incorporan los servicios de red especificados.

La Figura 8 muestra la estructura de desarrollo para entornos virtuales habitados, propuesta por Sánchez Segura.

Figura 8. Estructura de desarrollo para entornos virtuales habitados

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3.5. AMEVI AMEVI es un marco metodológico para el desarrollo de entornos virtuales en internet [22] propuesto por el investigador Héctor Castán de la Universidad Pontificia de Salamanca. En él se describe un conjunto de recomendaciones metodológicas para adecuar el proceso de construcción de EV a las necesidades del usuario. Esta propuesta tiene la estructura adecuada para su aplicación a cualquier metodología o proceso de desarrollo de software [22]. Este marco metodológico hace énfasis en la necesidad de hacer explícito en el proceso de desarrollo los fines por los que un usuario pueda o quiera visitar un entorno virtual en Internet (EVI). Si esto es tenido en cuenta, se podrá desarrollar un EVI en el que su descarga y construcción en la máquina del cliente esté optimizada para el fin concreto de su visita. Para lograr este objetivo AMEVI presenta una serie de recomendaciones para distintas fases del proceso de desarrollo: •

Fase de requisitos: en esta fase se debe obtener toda la información sobre el aspecto del EV, el comportamiento que deben tener los integrantes del mismo y se deben identificar las finalidades y los objetos relacionados a estas. Para esta última, AMEVI propone adicionar las actividades de identificación y formalización mediante el uso de categorías y, por otro lado, la asociación de objetos 3D, requisitos formales y requisitos no formales a las distintas categorías.

•

Fase de diseño: en esta fase se decide la plataforma de desarrollo, el lenguaje o lenguajes a utilizar, los sistemas de almacenamiento, etc., para adaptar el modelo realizado en la fase de análisis a la implementación específica que se desea. El aporte principal de AMEVI en esta fase es en la arquitectura con las siguientes recomendaciones: - Arquitectura típica Cliente / Servidor. - Motor de renderización en el lado del cliente. - Gestor de escena: controla el proceso de construcción del entorno

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virtual. Genera una estructura de datos en memoria que permite ordenar los elementos de acuerdo con las preferencias del usuario. Está del lado del cliente. - Gestor de almacenamiento: cada elemento que el gestor de escena solicita un elemento, se lo hace al gestor de almacenamiento que lo recupera para él. Está del lado del cliente. - Gestor de perfiles: este componente tiene como principal objetivo gestionar las preferencias del usuario con respecto a las tareas a realizar en el entorno virtual. Está del lado del cliente. - Sistema de recomendación: con la incorporación de un sistema de recomendación, la aplicación puede estimar, a partir de las preferencias incompletas, las valoraciones para el resto de las categorías extrapolando lo que conoce del usuario actual y del resto de los usuarios que utilizaron el entorno virtual. Está del lado del servidor. •

Los procesos que se llevan del lado del cliente son dos: la preparación del entorno virtual para el usuario y el recorrido del entorno. Durante la preparación del entorno virtual se realizan las siguientes actividades: - Obtener estructura de la escena. - Obtener perfil del usuario. - Generar estructura en memoria: es llevada a cabo por el gestor de escena, con el objetivo de representar las categorías, las preferencias, los elementos 3D y las funcionalidades. Adicionalmente permite la ordenación de los elementos que deben ser representados de acuerdo con las precedencias del usuario activo. - Ordenar estructura: es realizada por el gestor de escena y se ejecuta antes de que el usuario pueda comenzar a interactuar con el EVI. - Obtener objetos 3D que puedan afectar los recorridos del usuario por el entorno (denominados elementos estructurales en AMEVI). - Representar elementos estructurales: es responsabilidad del gestor de escena. - Carga / Descarga de elementos de la escena: actividad realizada por el gestor de escena. Una vez representados los elementos estructu-

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rales el usuario ya puede comenzar a interactuar con el entorno y se puede comenzar la carga de los elementos descriptivos4. - Sincronización de los hilos de ejecución: es realizada por el gestor de escena. •

AMEVI propone algunas mejores prácticas para el diseño: - Optimización de los recursos a través del marco de trabajo QUICK [23], en donde se propone: (1) incorporar información sobre el coste de visualización y la calidad de representación en los objetos que constituyen la escena; (2) ampliar la actividad Carga/Descarga de elementos de la escena para que tengan en cuenta estos nuevos parámetros en la selección de los elementos 3D que deben ser incorporados en la escena. - El uso del prefetching5 como medio para aumentar el rendimiento en EVI, útil para mejorar la ordenación de los elementos 3D. - Utilizar la posición y orientación del usuario dentro del entorno virtual para determinar de qué objetos va a tener el usuario un mayor nivel de consciencia (awareness) y de esta forma determinar qué elementos 3D son necesarios representar antes.

Tal como se ha revisado en este capítulo, existen varias aproximaciones para el desarrollo de entornos virtuales desde el punto de vista metodológico. No obstante, todas tienen sus particularidades y no se ajustan fácilmente a los modelos de proceso de desarrollo que actualmente se llevan a cabo dentro de los equipos de desarrollo de software. En el momento de escribir este capítulo, el autor del mismo está trabajando en una propuesta metodológica que soporte el desarrollo de entornos virtuales utilizando como base el Proceso Unificado. La propuesta está bastante adelantada y ya se han desarrollado dos prototipos con el fin de ajustarla y poder liberarla para su uso.

4 Los elementos descriptivos, están conformados por todos los objetos 3D que no tienen cabida en la categoría elementos estructurales [AMEVI05]. 5 Técnica que consiste en almacenar por adelantado en la caché datos que serán necesitados próximamente.

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Referencias [1] Moore, J. Software Engineering Standards: A User’s Road Map. IEEE Computer Society Press, Los Alamitos, CA, 1998. [2] ISO/IEC Standard 12207:1995, Amd 1: 2002. Information technology – Software life cycle processes. ISO. 2002. [3] ISO/IEC Standard 12207:1995. Information technology – Software life cycle processes. ISO. 1995. [4] ISO/IEC Standard 12207:1995, Amd 2: 2004. Information technology – Software life cycle processes. ISO. 2004. [5] Mandeville, J., Furness, J. y Kawahata, T.: “Greenspace: creating a distributed virtual environment for global applications”. En: IEEE Networked Virtual Reality Workshop, EEUU, 1995. [6] Stuart, R.: The design of virtual environments, New York: McGraw-Hill, 1996. [7] Eastgate, R.: The structured development of virtual environments: enhancing functionality and interactivity, Tesis Doctoral, University of Nottingham, Nottingham: 2001. [8] Maher, M. y Skow, B.: “Designing virtual campus”, Design Studies, Vol.20 Núm.4 (1999), 319-24. [9] Oliveira, M., Crowcroft, J. y Slater, M.: “An innovative design approach to build virtual environment systems” En: Workshop on Virtual environments, Zurich, Switzerland, 143-51, 2003. [10] Alexandre, T.: “Using Design Patterns to Build Dynamically Extensible Collaborative Virtual Environments”. En: 2nd international conference on Principles y practice of programming in Java 21-23, 2003. [11] Kim, G., Kang, K., Kim, H. y Lee, J.: “Software Engineering of Virtual Worlds”. En ACM symposium on virtual reality and technology. 1998. [12] Wilson, J., Cobb, S., D’Cruz, M., & Eastgate, R.: Virtual reality for industrial application: opportunities and Limitations. Nottingham: Nottingham Academic Press. 1996. [13] Wilson, J. R., Eastgate, R., D’Cruz, M.: “Structured Development of Virtual Environments”. En Stanney (Ed.), Virtual Environment Handbook (pp. 353-378): Lawrence Erlbaum. 2002. [14] Wilson, J. Virtual environments and ergonomics: needs and opportunities. Ergonomics, 40, 1057 - 1077. 1997. [15] D’Cruz, M.: Structured evaluation of training in virtual environments, Tesis Doctoral (no publicada), University of Nottingham, Nottingham: 1999.

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[16] D’Cruz, M., Stedmon, A., Wilson, J., Modern, P. y Sharples, G.: “Building virtual environments using the virtual environment development structure: a case study”. En: 10th International Conference on Human-Computer Interaction, Crete, 2003. [17] Vélez, G.: Introducción a la realidad virtual. [Documentación generada para soportar curso on-line], 18 capítulos. LTAD / FAU – Universidad Central de Venezuela, 1995. [18] Fencott, C.: “Towards a design methodology for virtual environments”. En: Workshop on user centered design and implementation of virtual environments, EEUU, 91-98, 1999. [19] Kaur, K.: Designing virtual environments for usability, Tesis Doctoral, Centre for Human-Computer Interface design, City University, London: 1998. [20] Sánchez, M.: Aproximación metodológica a la construcción de entornos virtuales, Tesis Doctoral, Facultad de Informática, Universidad Politécnica de Madrid, Madrid: 2001. [21] Rumbaugh, J., Blaha, M., Premerlani, W., Eddy, F. y Lorensen, W.: Object-oriented modeling and design, Prentice-Hall, 1991. [22] AMEVI - Marco Metodológico para el Desarrollo de Entornos Virtuales en Internet. Solución a los problemas de usabilidad en la carga y construcción. Proyecto de Investigación desarrollado en la Universidad Pontificia de Salamanca – Facultad de Informática, por el Ing. Héctor Castán Rodríguez con la dirección del doctor Luis Joyanes Aguilar. 2005. [23] Capps, M.: Fidelity Optimization in Distributed Virtual Environments, Tesis Doctoral, Naval Postgraduate School, Monterey, California: 2000.

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Sección II: Simulación

Capítulo 4

Simulación de procesos de manufactura por elementos finitos Héctor Jaramillo. Facultad de Ingeniería Grupo de Investigación en Ciencia e Ingeniería de Materiales GCIM. Universidad Autónoma de Occidente [email protected] Cali, Colombia

Resumen La teoría de elementos finitos como una herramienta de análisis en ingeniería se ha utilizado en los últimos años con gran éxito en áreas como la ingeniería estructural y aeronáutica. Sin embargo, en la simulación de procesos de manufactura, en donde en general se involucran deformaciones plásticas de los materiales, sólo en los últimos años se han alcanzado desarrollos verdaderamente importantes; esto debido a la falta de formulaciones matemáticas que den explicación adecuada a los fenómenos físicos involucrados. Fenómenos físicos donde se involucran altas deformaciones plásticas asociadas con cambios importantes en la temperatura de los materiales. Este capítulo pretende mostrar cómo se puede usar el método de elementos finitos en la simulación de procesos de manufactura, y a su vez dar una visión general de cómo este tema puede llegar a ser un gran campo de investigación o de aplicación en la ingeniería actual, que debe ser considerado cuando se hablan de tecnologías modernas para la manufactura. Palabras clave: Elementos finitos, mecánica del medio continuo, discretización, procesos, ingeniería predicativa, condiciones de borde.

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1. Introducción La mente humana posee ciertas limitaciones que no le permiten captar de forma global y en una sola operación el comportamiento complejo del mundo o las situaciones a las que se enfrenta. Una práctica comúnmente usada en el trabajo del ingeniero, cuando se enfrenta a una situación compleja, consiste en separar esta situación en una serie de pequeños problemas o componentes individuales de “elementos”, cuyo comportamiento puede conocerse o solucionarse y por defecto tener un comportamiento o solución total del sistema. En la gran mayoría de casos se obtiene una adecuada solución, con un número finito de elementos o particiones, los cuales se denominan sistemas discretos. Con el avance sustancial en la capacidad de las computadoras, los sistemas discretos se pueden resolver con relativa facilidad, incluso con sistemas de elevado número de elementos. Como la capacidad de las computadoras es limitada, la solución de sistemas continuos solo se puede realizar manipulando las ecuaciones que representan el sistema, y en este aspecto las técnicas matemáticas disponibles limitan las posibilidades a sistemas extremadamente sencillos. El método de elemento finito tiene su origen en el campo del análisis estructural y específicamente en la Mecánica de Sólidos [1], donde los primeros desarrollos fueron en la industria aeronáutica; aquí los investigadores batallaban por diseñar la membrana delgada del fuselaje de las alas de un avión a chorro. Hay que hacer la salvedad que estos diseñadores en su tiempo eran de las pocas personas que poseían a su disposición computadoras con gran capacidad, por lo que el método tenía su “círculo social” limitado sólo a las personas con la capacidad tecnológica. El gran desarrollo de las computadoras en los últimos treinta años ha permitido que con el método de elementos finitos se pueda, cada vez más, trabajar o analizar sistemas de mayor complejidad, que al final dará resultados con una mejor precisión. El desarrollo de las computadoras también a motivado la aplicación del método en otras áreas de la ingeniería que hasta hace pocos años no se imaginaban, así por ejemplo tenemos hoy día aplicaciones en la industria automotriz, componentes electrónicos, procesos de inyección, soplado, hidroformado, generación de potencia, industria militar, aplicaciones médicas, etc. 88

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El objetivo de este trabajo es mostrar cómo las herramientas computacionales hoy día tienen una incidencia directa en casi todas las etapas del proceso para la manufactura de una pieza o componente, además dar una visión general de las aplicaciones del método de elementos finitos en esta área, donde su gran problema es poder modelar las deformaciones excesivas involucradas en el material. En esta línea se pueden encontrar trabajos de simulación como en estampado, inyección, soplado, hidroformado, etc. El involucrar las herramientas computacionales en estos procesos de diseño agiliza y permite optimizar los recursos disponibles, y reduce el tiempo entre el diseño y la producción por efecto del rediseño y ajustes finales al diseño inicial.

2. El método de elemento finito El método de elemento finitos es un procedimiento basado en el uso de la computadora, para analizar estructuras y problemas del continuo. Es un método numérico, que bien aplicado permite resolver un gran espectro de problemas de ingeniería. El uso de los métodos clásicos de solución, “método analítico” [2], permite resolver problemas muy simples o resumidos, pero cuando los problemas aumentan en complejidad, los métodos clásicos ya no son una alternativa, y es ahí donde el método de elementos finitos se convierte en una herramienta poderosa para el análisis y la simulación de los procesos. En general el análisis por el método de finitos involucra siete pasos [3]. Los pasos 1, 2, 4, 5 y 7 requieren hacer decisiones sobre la computadora. El resto de los pasos son realizados automáticamente por el programa.

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2.1. Creación del modelo En este paso se define el sistema continuo que se desea analizar, y se resumen sus condiciones al máximo. El modelo se debe resumir de forma tal que se eliminen aquello detalles que no son importantes o no definen las propiedades del modelo, con el objeto de simplificar y disminuir el trabajo de la computadora. Generalmente en esta etapa se requiere la ayuda de modeladores tridimensionales o programa tipo CAD, un modelo de estos se puede ver en la Figura 1.

Figura 1. Modelo CAD de la carcasa de una válvula

2.2. Discretización del modelo de la estructura La estructura o el continuo del paso anterior se divide en una serie de elementos que poseen un número determinado de “elementos finitos”, ver Figura 2.

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2.3. Definición de las propiedades de los elementos Este paso se utiliza para definir las propiedades del tipo de elemento a utilizar como modelo físico. El método de elemento finito trabaja con una serie de modelos matemáticos que permiten simplificar los cálculos.

Figura 2. Modelo discretizado

2.4. Aplicación de cargas y condiciones de frontera Aquí se definen las condiciones de borde o frontera del elemento, como son velocidades, temperaturas, fuerzas, etc. Así por ejemplo, en el caso que se viene tratando (Figura 3), las condiciones de frontera definidos son restringidos o apoyados en los agujeros, con una presión interna donde se observan las flechas.

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Figura 3. Aplicación de carga y restricciones

2.5. Ensamble de los elementos en la matriz de rigidez La matriz de rigidez de los elementos relaciona los desplazamientos nodales con las cargas aplicadas en los nodos. El ensamble de la matriz de rigidez implica la aplicación de las ecuaciones de equilibrio sobre toda la estructura. Esta operación es realizada completamente por la computadora. 2.6. Solución del sistema Después de una correcta definición de las condiciones del modelo, el programa procede a la solución de las ecuaciones simultáneas mediante la utilización de métodos numéricos y procedimientos de convergencia del error.

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2.7. Visualización de resultados Una vez el programa haya solucionado el sistema de ecuaciones simultáneas, este permite ver los resultados, generalmente a través de una interfase gráfica, que por medio de una gama de colores permite visualizar las regiones donde se presentan los mayores o menores efectos, ya sea de esfuerzos, flujo de calor, deflexiones, vórtices, frecuencias naturales, velocidades, aceleraciones, etc. Para el caso en particular mostrado, en la regiones de color rojo se están presentando los mayores esfuerzos, y hacia las regiones de color violeta, las regiones en las cuales el esfuerzo en bajo.

Figura 4. Visualización de resultados

3. Historia del método del elemento finito El desarrollo del método de elementos finitos ha estado muy ligado al desarrollo de las computadoras, que es un desarrollo relativamente reciente. Sin embargo, la historia del método no es de tiempos cercanos y se remonta hacia muchos años atrás. Es difícil decir una fecha exacta de sus orígenes; sin embargo, se mencionarán los aportes hechos al método y de las personas involucradas en esta técnica. Universidad Autónoma de Occidente

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Si se parte de la premisa de que el método de elementos finitos se basa en el hecho de que lo primero que se hace es discretizar el continuo, es decir, partir el continuo en pequeñas regiones, debemos de dar una mirada a los trabajos de Leonardo da Vinci (1452 - 1519). Observando los escritos de Leonardo nos podemos percatar de que en sus bosquejos [4] (Figuras 5 y 6) se muestran vigas y columnas como modelos discretos, de igual forma Leonardo fue el primero en dibujar la catenaria y proponer un modelo discreto de ésta.

Figura 5. Modelo discreto de una viga simplemente apoyada con carga céntrica

Figura 6. Modelo discreto de una viga simplemente apoyada

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A pesar de lo anterior, Leonardo [5] no planteó ningún tipo de formulación matemática del método de elemento finito, ni tampoco en relación con las vigas o columnas, ya que este no poseía una formación académica en este sentido. Tampoco concluyó sus observaciones, característico en la gran mayoría de sus trabajos. En tiempos más recientes, donde ya se mostraron desarrollos en la formulación matemática, se pueden nombrar una serie de investigadores, de los cuales cada uno realizó un “pequeño” aporte a la creación y consolidación del método, en este orden de ideas y de forma cronológica se pueden mencionar [6]: 1941 Hrenikoff, presentó una solución de problemas de la elasticidad usando el “método de trabajo de marco”. 1943 Emmanuel Hebey Courant, en un artículo publicado, usó interpolación polinomial por partes sobre subregiones triangulares para modelar problemas de torsión. En esta época cualquier desarrollo teórico no podía traducirse a la realidad, ya que cualquier análisis del elemento finito tiene la forma de un sistema de ecuaciones simultáneas y hacia esta época no se disponían de computadoras para formar y resolver estos relativamente grandes sistemas de ecuaciones, por lo que se puede imaginar la frustración de Courant, que desarrolló esencialmente la técnica del elemento finito. 1956 Turner, Clough, Martin y Topp, obtuvieron matrices de rigidez para armaduras, vigas y otros elementos. 1960 Ray Clough, fue el primero en acuñar y emplear el término elemento finito, en la década de 1960. Los ingenieros usaron el método para obtener soluciones aproximadas en problemas de análisis de esfuerzos, flujos de fluidos, transferencia de calor y se cimentaron métodos adicionales en los estudios del elemento finito. 1955 Argyris, publicó un libro sobre teoremas de energía y métodos matriciales.

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1967 Zienkiewicz y Chung, publicaron el primer libro sobre elementos finitos, el cual continúa teniendo vigencia hoy día. 1972 Oden, publicó un libro donde se abordan problemas sobre continuos no lineales. 1970 [7], se fijaron las bases matemáticas y se realizaron nuevos desarrollos, estudios de convergencia y aplicaciones en otras área afines.

4. Aplicaciones del método de elementos finitos En la medida en que el método de elementos finitos se hace más conocido, sus aplicaciones se extienden a más campos del saber, donde hasta hace pocos años no se pensaban. Debido a que el método tuvo sus inicios en el campo de la ingeniería estructural, donde éste se aplica de manera corriente, como también en el diseño mecánico. Como en los dos campos mencionados su aplicación es corriente, se tratarán ejemplos en otros campos del saber, con el objeto de mostrar la versatilidad del método en campos del conocimiento diferentes del de la Ingeniería Civil y Mecánica. 4.1. Implante de cadera [8], cuando se realiza un implante de cadera, uno de los aspectos importantes a tener en cuenta es la adherencia que puede haber entre el implante y el hueso, ya que de ello dependerá la vida útil o de servicio del implante. Otro aspecto a tener en cuenta son los esfuerzos generados en la interfase del hueso y el implante con las cargas de servicio. Es de suma importancia poder modelar las anteriores condiciones con anterioridad ya que esto permitirá realizar modificaciones al modelo antes de la intervención quirúrgica. Si no se posee este tipo de herramienta, la única forma de realizar correctivos es realizando otra intervención quirúrgica, lo que traería mayores costos y traumatismos para el paciente. 96

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Figura 7. Modelo en elemento finitos de un implante en el fémur

La aplicación examina la interacción entre el implante y el fémur, como resultado de una interferencia inicial mostrada en la Figura 7 y las cargas de servicio, Figura 8.

Figura 8. Distribución de los esfuerzos durante las cargas de servicio del implante

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4.2. Proceso de laminado [9], el laminado en caliente es una de las técnicas de manufactura usadas para la transformación de las formas. Algunos aspectos como la deformación y elongación del material son variables que se deben controlar durante el proceso. Al simular el proceso de deformación del material se pueden tomar los correctivos del caso o plantear una solución alternativa, antes de realizar el proceso real.

Figura 9. Esfuerzos de contorno en el proceso de laminación simple

En este ejemplo se muestra la simulación de un proceso de laminado en caliente simple (figura 9) y un laminado doble (figura 10a y 10b), como resultado de esta simulación se obtuvo que el proceso de laminado doble reducía en un 25% la sección transversal original.

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(a)

(b) Figura 10 (a) Esfuerzos de contorno de Von Mises en el proceso de laminación doble, (b) Temperaturas en el contorno generadas en el proceso de laminación doble

4.3. Proceso de hidroformado [10]. Este es un proceso usado comúnmente en la industria para el trabajo en chapa metálica, para componente de gran longitud o ancho. Existen varios tipos de hidroformado, pero su principio básico es el mismo, se utiliza la presión de un fluido para darle la forma a la pieza (Figura11). Universidad Autónoma de Occidente

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Figura 11. Esquema básico del proceso de hidroformado

Un parámetro crítico en el proceso de hidroformado es la magnitud de la presión, ya que esta varía y es función de los desplazamientos del sistema. Una excesiva presión causara una rotura en el material base y una presión insuficiente causara arrugamiento en el material (Figuras 12 y 13).

Figura 12. Modelo en elementos finitos del sistema de hidroformado

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Figura 13. Forma cómo se distribuye el material en el proceso

Mediante este análisis se pueden determinar los espesores de pared que quedan después del proceso de hidroformado y sus puntos de ubicación. Con estos datos se pueden modificar los parámetros del análisis y ajustarlo a las necesidades requeridas del diseño. En la Figura 14 se muestran los resultados para dos valores de presión aplicada y las gamas de colores que definen las regiones de mayor o menor espesor. Así, las zonas de color rojo son las regiones de menor espesor y las zonas de color azul las de mayor espesor de placa después del proceso de hidroformado.

Figura 14. Espesores de la lámina hidroformado, para dos valores de presión

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4.4. Análisis de temperaturas en el sistema de escape de un vehículo [11] En la Figura 15 se muestra la distribución de las temperaturas en el sistema de distribución de los gases de escape de un vehículo en condiciones de funcionamiento. Con un análisis como este se pueden determinar aquellas regiones del componente en las cuales se concentran las temperaturas y realizar las modificaciones pertinentes al modelo; de manera que se obtengan una mejor distribución de las temperaturas, y al final redunde en un mayor rendimiento del vehículo.

Figura 15. Distribución de la temperatura en el sistema de escape de un automóvil

El estudio de los casos mostrados como ejemplos permite que se pueda encontrar una relación más directa entre el método de elementos finitos y los procesos de producción. También permite mostrar que el método no solo tiene aplicaciones en los procesos de diseño mecánico sino también en otras áreas de conocimiento, como lo pueden ser la biomecánica, la electrónica, procesos de fabricación, procesos de prototipado, diseño de productos y otras áreas.

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5. Efecto del método de elementos finitos en los procesos de manufactura La manufactura no sólo representa el hecho de construir una pieza o sistema sino que forma parte de todo un proceso que va desde la misma concepción del diseño hasta su construcción. La manufactura a nivel mundial actualmente está orientada al uso de herramientas computacionales, debido a que cada vez más las máquinas herramientas poseen mayor grado de automatismo, a este proceso comúnmente se le denomina manufactura integrada por computador (CIM). En la Figura 16 se muestra de forma esquemática todo el proceso de diseño desde la concepción de un componente o pieza hasta su producción. En todas las etapas de este proceso se puede observar que hoy día existen soluciones, en relación con las herramientas computacionales, que soportan cada una de estas etapas. Todas estas herramientas usadas en el proceso, mejoran la fiabilidad en la planificación, reducen el número de ensayos y tiempo de puesta a punto; como resultado se obtienen piezas con mayor calidad y diseños que se pueden producir con máxima confianza.

Figura 16. Ciclo de desarrollo del producto

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Mientras que los ciclos de desarrollo se reducen, el mercado es altamente competitivo e impone continuos aumentos en las demandas del producto: estilo, calidad y rendimiento fiable del diseño a largo plazo son aspectos críticos para el éxito en el mercado. Los costos de fabricación y de desarrollo, así como el tiempo de lanzamiento al mercado necesitan controlarse cuidadosamente y minimizarse para asegurar la rentabilidad El uso intensivo de herramientas computacionales en los ciclos de diseño de un producto permite, entre otras cosas: •

•

•

Desde la ingeniería del producto: validación de conformabilidad de la pieza desde las pimeras etapas hasta el lanzamiento del producto. Estudios de diseño para evaluar diseños alternativos de piezas. Estudios de diseño para evaluar materiales alternativos de piezas. Mapeo de espesores y durabilidad. Desde la estimación de costos: estimación y optimización de los costos de material / pieza. Estimación de costos basados en la evaluación de conformabiliadad de la pieza y el material. Selección de clase y muestra del material para un costo / rendimiento óptimo. Desde la ingeniería de proceso y diseño preliminar: una sola etapa versus multietapa. Una sola pieza en su fabricación. Orientación de las herramientas y matriz.

6. Conclusiones Vista la manufactura desde esta posición, y el método de elementos finitos (MEF) como una herramienta CAE, se pueden mencionar algunas ventajas o ayudas que presta el método que al final beneficiará el proceso. El MEF permite un análisis rápido de piezas y ensambles, ya que este proceso se realiza con ayuda de la computadora y no sobre modelos reales, a su vez permite evaluar varias alternativas de diseño o escenario como parte integral del proceso de diseño. El MEF constituye una herramienta que permite realizar un proceso de ingeniería predictiva, ya que se pueden simular las condiciones de operación o las condiciones del proceso y de esta manera poder proporcionar

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diseños o procesos óptimos, que traerán como consecuencia productos de mejor calidad y menor tiempo de salida al mercado. Mediante el análisis por elementos finitos se reduce la necesidad de realizar pruebas de laboratorio en los componentes físicos, como también la realización de pruebas de producción. Permite realizar análisis en una gran variedad de aplicaciones que pueden ir desde la determinación de los esfuerzos en una pieza hasta la simulación de eventos mecánicos.

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Sección III: Procesos de manufactura

Capítulo 5

Estudio de procesos de mecanizado con técnicas de alometría y análisis dimensional Fabio A. Rojas M. Departamento de Ingeniería Mecánica Laboratorio de técnicas modernas en manufactura Universidad de los Andes [email protected] Bogotá -Colombia

Resumen El presente capítulo consiste en la formulación de una propuesta integral para el estudio de la mecánica del corte de materiales mediante técnicas de alometría y análisis dimensional. Se propone una metodología que aborda el fenómeno del corte como la interacción entre los subsistemas máquina, herramienta y pieza de trabajo en ciertas condiciones de operación para producir un bien de capital y un subproducto en forma de viruta. La caracterización de cada subsistema se hace mediante la cuantificación de las variables y parámetros que inciden en el proceso. Se mostrará el alcance de la alometría y la técnica de análisis adimensional, en particular la aplicación del teorema de Buckingham en la deducción de números adimensionales. También se proponen algunos números adimensionales que permitirían investigar el desempeño de las herramientas de corte. Finalmente se presentan los resultados obtenidos en ensayos de torneado llevados a cabo en piso de fábrica y en condiciones controladas en laboratorio, donde se verifica la versatilidad de las técnicas de alometría y análisis dimensional en el estudio del mecanizado. Palabras clave: Alometría, análisis dimensional, mecánica de corte, desgaste y vida de herramienta. 107

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1. Introducción La importancia de las operaciones de remoción de material en el panorama actual se puede visualizar considerando las cifra de los costos asociados con esta actividad, los cuales incluyen el aumento de los costos de herramientas, de los costos laborales y de los costos de inversión de capitales. En los Estados Unidos se estima que los costos anuales asociados a los procesos de remoción de material constituyen alrededor del 10% del producto interno bruto [1]. En Colombia no se tienen cifras oficiales al respecto. Por lo anterior es bien importante hacer uso apropiado de las herramientas de corte en los procesos de arranque de viruta. Optimizar el desempeño de la herramienta no sólo alargará su vida, sino que aumentará la productividad de la organización al producir más y mejores piezas con una reducción de los costos de operación. De allí que el conocimiento de las condiciones de los procesos de corte y su relación con las variables que inciden el desempeño de la herramienta sea un tema de permanente investigación. Hoy día se dispone comercialmente de una gran variedad de materiales para herramientas de corte. La selección adecuada depende de factores como la operación de corte de que se trate, la máquina que se va a usar, el material de la pieza de trabajo, las necesidades de producción, el costo y el acabado superficial deseados. Las principales cualidades requeridas en una herramienta de corte son: dureza en caliente, tenacidad al impacto o resistencia al choque mecánico y resistencia al desgaste [2]. A pesar de la escasa literatura que existe de metodologías de estudios experimentales para evaluar el desgaste de herramientas en corte de metales utilizando números adimensionales, la referencia [3] presenta un capítulo completo sobre el tema. En el presente trabajo se empleará la técnica de análisis dimensional para estudiar el desgaste de las herramientas de corte. Se seleccionó el método de Buckingham en vez del método de Lord Rayleigh por el número de variables involucradas en el estudio: más de tres. de Buckingham resulta más apropiado para En este sentido el método hallar los parámetros adimensionales que describirán el fenómeno de corte de materiales.

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Por otra parte, así como en ingeniería, en biología existen muchas relaciones matemáticas interesantes que permiten estudiar un fenómeno fisiológico o evolutivo del organismo. Estas relaciones se logran observando y experimentando continuamente hasta establecer ecuaciones alométricas [9]. La alometría como técnica para estudiar un fenómeno implica, por ejemplo, que el tamaño, peso o volumen de una parte del cuerpo tiene de alguna manera una relación matemática con la talla corporal o el peso de un individuo6. Es decir, parte de una hipótesis que se contrasta empíricamente. En este sentido la alometría, cuyas principales aplicaciones se dan en el campo de la biología, es un buen referente para el estudio de fenómenos como el mecanizado. La combinación de técnicas de alometría y análisis dimensional se convierte en una herramienta muy útil para lograr resultados prácticos. Desde esta perspectiva el ejemplo más representativo de ecuación alométrica en el corte de metales es la ecuación de Taylor para la vida de una herramienta.

2. Aplicación de la técnica de análisis dimensional en el corte de metales Hay muy pocos problemas de interés en el campo de la mecánica de fluidos que se resuelven utilizando únicamente las ecuaciones diferenciales e integrales. En casi todos los casos es necesario recurrir a métodos experimentales para establecer relaciones entre las variables de interés. Puesto que los estudios experimentales suelen ser muy costosos, es necesario reducir a un mínimo la experimentación requerida. Esto se hace empleando una técnica llamada análisis dimensional, que se basa en el concepto de homogeneidad dimensional que asegura que todos los términos de una ecuación deben tener las mismas dimensiones [5]. Cuando se necesita estudiar un fenómeno en corte de metales ocurre algo similar a lo que ocurre en mecánica de fluidos. Partiendo de la validez de la técnica de análisis dimensional y del teorema Buckingham, que organiza los pasos para garantizar la homogeneidad dimensional, es necesario 6 Es bien conocido entre los zootecnistas que durante el crecimiento de algunos animales, la longitud de la cabeza responde a la fórmula long. Cabeza = 0,5.longitud del cuerpo0.75

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seleccionar las variables que describen el fenómeno y que conformarán los parámetros adimensionales. 2.1 Acotación del problema: las variables Entre las muchas variables involucradas en el proceso de corte de metales, se seleccionan las que mayor incidencia tienen en el fenómeno. Esto implica que al considerar los subsistemas máquina, herramienta y pieza de trabajo, que interactúan en ciertas condiciones de corte para producir un bien de capital y viruta, se debe tener claridad de la influencia de cada variable en el comportamiento del sistema. Una primera aproximación en el estudio del mecanizado por las técnicas de alometría y análisis dimensional introduce las siguientes variables para la caracterización: • • • • •

Subsistema máquina: potencia de la máquina y mecanismo de sujeción. Subsistema pieza de trabajo: material de la pieza de trabajo, estado de suministro, diámetro, longitud, densidad, dureza, acabado superficial, calor específico y conductividad. Subsistema herramienta: material, dureza, ángulo de desprendimiento, ángulo sólido de corte, ángulo de incidencia, radio de punta, desgaste de flanco y desgaste de cráter. Condiciones de operación: velocidad de corte, avance, profundidad, ángulo de corte de arista principal y secundaria, temperatura Subproducto viruta: tipo y forma, espesor, longitud y peso.

En el caso concreto del estudio del desempeño de herramientas de corte en operaciones de cilindrado de diferentes materiales y en ciertas condiciones de operación, se seleccionaros en primera instancia variables que caracterizan el desgaste de la herramienta y que podían dar alguna información del buen o mal uso que se le dió a la herramienta en la operación de torneado. Variables importantes como temperatura y fuerzas de corte no se consideraron por limitaciones técnicas para su cuantificación. El criterio utilizado en la determinación de la vida de la herramienta fue el de dimensiones preestablecidas de la franja de desgaste de el flanco (VB), por la incidencia que tiene 110

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en las tolerancias dimensionales de la pieza y por ser de fácil homologación en la comunidad científica [6]. Ver Figura 1.

Figura 1. Zonas de desgaste de flanco VB de la herramienta. Fuente: Astakhov V.P. The assessment of cutting tool wear, International Journal of Machine Tools & Manufacture 44 (2004) 637–647

Trabajos previos en el tema, realizados por el grupo de investigación Latemm de la Universidad de los Andes, permitieron la formulación de dos números adimensionales y con base en las variables: velocidad de corte, Vc; avance, Av; tiempo de mecanizado, t; dureza del material a mecanizar, Du; densidad del material a mecanizar, De; esfuerzo de fluencia del material a mecanizar, Sy, y desgaste incremental del desgaste de flanco, Vb [7]. El desgaste incremental se determina por la diferencia entre desgastes de flanco de dos pasadas consecutivas.

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Con la manipulación algebraica de las anteriores variables se puede demostrar por análisis dimensional que:

(1) (2)

El número es una relación entre la energía que se desea vencer en el corte y la energía que es introducida por medio de las condiciones de corte. En consecuencia con el significado físico del número, valores elevados de son característicos de un óptimo proceso de corte. Similarmente interprétese como la relación entre el desgaste de flanco (variable de salida) y la distancia recorrida a través del avance (longitud mecanizada). Lo ideal sería que el desgaste fuera lo más pequeño posible para una longitud mecanizada cualquiera. En este sentido las operaciones de corte óptima son aquellas en las que se hace tan cercano a cero como sea posible [7]

3. Montaje utilizado 3.1 Torno La operación básica de torneado, también llamada corte semiortogonal en el piso de taller [4] facilitó el estudio de los parámetros adimensionales por ser la operación más empleada en el trabajo experimental de corte de metales. Las máquinas herramientas utilizadas fueron tornos convencionales en operaciones de cilindrado de baja y media velocidad, pertenecientes a empresas del sector de fabricación general, repuestos, arreglos en general (mantenimiento), ajustes y montajes. La producción de estas empresas oscila entre 1 y 15 toneladas de material procesado al año. No existe producción en serie ni poseen certificación de calidad alguna. Las pruebas de labo112

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ratorio se realizaron en el taller de máquinas herramientas de la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá [10], y en el laboratorio de metrología de la Universidad Pedagógica Nacional de la misma ciudad [11]. 3.2. Herramientas de corte Durante el estudio se evaluaron siete tipos de herramientas de corte. La Tabla 1 resume las características de cada una. Tabla 1. Herramientas utilizadas en el estudio

N° Herramienta

Identificación

1 Buril de acero rápido convencional (ARC)

ARC

Pastilla de acero rápido sinterizado. No disponible 2 comercialmente (ARS)

ARS

de tungsteno. 3 Pastilla Ref.: SPGN 120304 415 (FP2)

FP2

de tungsteno. 4 Pastilla Ref.: SPUN 120308 415 (FP3)

FP3

de tungsteno. 5 Pastilla Ref.: SPUN 120412 415 (FP4)

FP4

de nitruro de boro cúbico 6 Pastilla Ref.: CB7015

CB

de cerámica 7 Pastilla Ref.: CC 6090

CC Fuente: Los autores

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3.3. Materiales mecanizados Los criterios para la selección de los materiales que intervinieron en el estudio fueron la disponibilidad en el taller y las necesidades particulares de cada trabajo. En la fase experimental se diseñó un experimento en condiciones controladas (laboratorio) y otro que utiliza las condiciones de corte reales típicas de las microempresas metalmecánicas (piso de fábrica). El resumen de los materiales se ilustra en la Tabla 2. Tabla 2. Metales utilizados en el estudio

N° Material mecanizado bajo carbono 1020 1 Acero Ref.: AISI/SAE 1020

Identificación 1020

2

Acero medio carbono 1045 Ref.: AISI/SAE 1040

1040

3

Acero aleado 4140. Ref.: AISI/SAE 4140

4140

4

Acero aleado 4340. Ref.: AISI/SAE 4340

4340

5

Bronce latón Ref.: latón 80% Cu

Bronce latón

6

Aluminio Ref.: 1100-H12

7

Fundición de hierro gris Ref.: ASTM clase 20

8

Madera Zapán REF: Zapán

1100 ASTM 20 Zapán Fuente: Los autores

La toma de datos para la madera zapán se hizo en pasadas de 200 mm de longitud en cuatro probetas distintas con diámetro inicial de 80 mm. Las variables de interés de cada material, densidad, dureza y esfuerzo de fluencia, se listan en la Tabla 3. 114

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Tabla 3. Propiedades de los materiales mecanizados en el estudio

N°

Material Mecanizado

Densidad Resistencia fluencia [kg/m3] [kg/m*min2]

Dureza [kg/m*min2]

1

AISI/SAE 1020

7860

1.33E+13

1.60E+13

2

AISI/SAE 1045

7860

2.19E+13

2.32E+13

3

AISI/SAE 4140

7860

3.60E+13

2.67E+13

4

AISI/SAE 4340

7860

2.65E+13

3.57E+13

5

LATON 80% Cu

8970

7.38E+11

5,82E+12

6

AISI/SAE 1100

2710

2.47E+12

1.64E+13

7

FUNDICIÓN ASTM 20

7150

6.00E+12

2.60E+13

913

2.82E+12

5.60E+12

MADERA 8 ZAPAN

Fuente: Los fabricantes

Los aceros se maquinaron en estado normalizado, es decir, sin ningún tipo de tratamiento térmico o termoquímico que afecte sus propiedades físicas o mecánicas, excepto el SAE 4340 en estado bonificado.

4. Metodología de las pruebas realizadas La metodología que se empleó en piso de fábrica fue evaluar todas las herramientas con los diferentes materiales de la Tabla 2. Se variaron las velocidades de corte, avances, longitud mecanizada y se procedía a medir el desgaste incremental (no acumulativo) del flanco de la herramienta. Si era necesario mecanizar un nuevo material, la herramienta no se afilaba, Universidad Autónoma de Occidente

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simplemente continuaba el proceso de medición de desgaste incremental hasta que la herramienta alcanzará su vida útil. En el caso de las pruebas de laboratorio se trabajaba un material hasta lograr un desgaste de flanco total de 0.8 mm, en condiciones de corte constantes. La longitud mecanizada por pasada se tomó en 100 mm, registrando los datos de espesor de viruta, desgaste de flanco y tiempo de mecanizado. El desgaste de flanco se midió con la ayuda de un proyector de perfiles y con microscopia óptica a 40X.

5. Resultados obtenidos 5.1. Gráficas de mecanizado Los resultados gráficos de los números adimensionales calculados para cada herramienta se pueden observar en las gráficas de mecanizado (Figura 2). se graficó en la ordenada y en la abscisa. El número adimensional

Figura 2. Zonas geométricas definidas por las herramientas de acero rápido convencional, sinterizado y carburo de tungsteno. Fuente: [7]

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6 Análisis de resultados Las herramientas se están comportando de manera tal que a medida que aumenta el número de ensayos hay mayor aglomeración de puntos en torno a una zona geométrica particular, mostrando de alguna manera cierta convergencia alrededor del centro geométrico ( , ) de cada figura. Considerando la gráfica, y conociendo un punto 1 cualquiera (Figura 3), se puede determinar el desgaste de flanco y la velocidad de corte para que este se ubique en la zona requerida. Esto es:

(3)

(4)

Con esta metodología se pueden optimizar las condiciones de corte, velocidad y avance, para una profundidad de pasada determinada. Es decir, estableciendo dos parámetros de acuerdo con las necesidades del proceso a implementar y el material a mecanizar, se pueden conocer dos valores que van a permitir la selección de condiciones de corte adecuadas de acuerdo con la ubicación en la gráfica de mecanizado. Esto simplificaría la selección de tales condiciones. π1 π2

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Figura 3. Comportamiento de los números adimensionales para las herramientas de acero rápido convencional, sinterizado y carburo de tungsteno. Fuente: Los autores

y

7. Discusión y conclusiones La discusión que se presenta a renglón seguido gira en torno de los resultados obtenidos en la aplicación de la técnica de análisis dimensional en el estudio del desempeño de herramientas de corte. Al comparar las gráficas de las herramientas ARC, ARS y carburo de tungsteno (Figura 3) se nota claramente que para un valor dado de energía entrega en el corte (interprétese como una línea vertical que corta en el eje en un punto), la de ARS está desplazada un poco hacia abajo, indicando esto que para un mismo consumo de energía la de ARS sufre menos desgate de flanco y por lo tanto tendrá mayor duración. La deducción anterior permite afirmar que la herramienta de acero rápido sinterizado es competitiva frente a otras herramientas de carburos de tungsteno y aceros rápidos convencionales, en las condiciones de corte evaluadas.

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La inadecuada utilización de los carburos de tungsteno hizo que se ubicaran al mismo nivel que herramientas de menor capacidad, como los aceros rápidos convencionales y los aceros rápidos sinterizados. Las velocidades de corte recomendadas para estas herramientas son del orden de 30 a 160m/min [8]. Todas las herramientas probadas tienen una zona de trabajo definida y acotada independiente del material mecanizado. La técnica de análisis dimensional permite identificar zonas de mayor rendimiento de la herramienta de corte y zonas de uso inapropiado de las mismas (Figura 4). Un operario de máquinas herramientas puede seleccionar las condiciones de corte tal que el punto de operación de la máquina herramienta se localice en el cuarto cuadrante, haciendo buen uso de la herramienta: poco desgaste de flanco y menor consumo de energía (Figura 4).

Figura 4. Esquema ilustrativo de uso óptimo e inapropiado de las herramientas de corte. Fuente: Los autores

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Es muy importante resaltar que si en el análisis dimensional se hubieran seleccionado otro grupo de variables como velocidad de corte, avance, profundidad de corte, fuerza tangencial, potencia de la máquina (asociada a la rigidez e incide en el acabado superficial de la pieza), dureza del material, dureza de la herramienta, longitud mecanizada avance y ángulo de incidencia, se obtendrían siete números adimensionales.

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10) (11) Donde : Velocidad de corte [L/T] : Avance [L] 120

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: Profundidad [L] : Fuerza tangencial [ML/T2] : Desgaste de flanco de la herramienta [L] : Dureza de la herramienta [M/LT2] : Dureza del material de la pieza de trabajo [M/LT2] : Longitud mecanizada [L] : Potencia nominal de la máquina herramienta [ML2/T3] : Ángulo de incidencia o de rebajo del extremo [1] De los siete números adimensionales, tendrían un significado físico la combinación tal que produce

(12)

(13) como la relación entre la potencia nominal de la Interprétese máquina herramienta y la potencia que es introducida por medio de las condiciones de corte a través de y . En realidad va a depender de y la energía específica de corte . la profundidad de corte d, el avance Esta última es función de la dureza del material de la pieza, del ángulo de incidencia y de la profundidad de corte. Universidad Autónoma de Occidente

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La fuerza se puede calcular a partir la energía o potencia específica de corte , mediante la expresión: (14) Donde se calcula indirectamente de tablas para cada material, dependiendo de la dureza del material a mecanizar Hm, del ángulo de salida o desprendimiento g, y de la profundidad de corte . Matemáticamente se obtiene por la ecuación (15).

(15)

= 0° y =0.010 mm/rev [1] Donde: Combinando (14) y (15), se obtiene:

(16)

Remplazando (16) en (13):

(17)

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En este caso se podría estudiar experimentalmente la relación funcional:

(18)

Que en términos de las variables y parámetros del fenómeno es:

La importancia de este artículo es que destaca las posibilidades que ofrecen las técnicas de alometría y análisis dimensional en el estudio de fenómenos de corte de materiales, por no limitar la discusión solamente al corte de metales.

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