COMPUTER-AIDED DESIGN AND MANUFACTURING

Computer-aided design (CAD), také známý jako computer-aided design and drafting (CADD), zahrnuje celé spektrum kreslení pomocí počítače – od přímek po vlastní animaci. V praxi se CAD týká softwaru pro návrh inženýrských a architektonických řešení, doplněného o dvourozměrné a trojrozměrné modelovací schopnosti.

počítačově podporovaná výroba (CAM) zahrnuje použití počítačů k pomoci v jakémkoli výrobním procesu, včetně flexibilní výroby a robotiky. Výstupy z CAD systémů často slouží jako vstupy do CAM systémů. Když tyto dva systémy pracují ve spojení, výsledek se nazývá CADCAM a stává se součástí počítačového integrovaného výrobního procesu (CIM) firmy.

systémy CADCAM jsou určeny k tomu, aby pomohly v mnoha, ne-li ve všech krocích typického životního cyklu produktu. Životní cyklus produktu zahrnuje fázi návrhu a fázi implementace. Fáze návrhu zahrnuje identifikaci potřeb a specifikací návrhu; provedení studie proveditelnosti, Projektová dokumentace, hodnocení, analýza, a optimalizace; a dokončení samotného návrhu. Fáze implementace zahrnuje plánování procesů, plánování výroby, kontrolu kvality, balení, marketing a přepravu.

CAD systémy mohou pomoci s většinou procesů fáze návrhu, zatímco CAM systémy mohou pomoci s většinou implementačních procesů. Příspěvky systémů CAD a CAM jsou popsány níže.

CAD systémy

CAD systémy jsou specializovanou formou grafického softwaru, a proto musí dodržovat základní principy grafického programování. Všechny grafické programy pracují v kontextu grafického zařízení (např. okno na monitoru, tiskárně nebo plotru). Grafické obrázky jsou kresleny ve vztahu k souřadnicovému systému 2-D nebo 3-D, z nichž existuje několik typů.

souřadnicový systém zařízení je 2-D a mapuje obrázky přímo na body (pixely) hardwarového zařízení. Aby se usnadnila grafika nezávislá na zařízení, souřadnicový systém virtuálního zařízení abstrahuje 2 – D body do logického rámce.

navrhovaná zařízení jsou samozřejmě obecně 3 – D objekty, které také vyžadují světový souřadnicový systém pro reprezentaci prostoru, ve kterém jsou objekty umístěny, a modelový souřadnicový systém pro reprezentaci každého z objektů v tomto prostoru. CAD software obsahuje algoritmy pro promítání 3D modelů na souřadnicové systémy 2-D zařízení a naopak.

CAD systémy zahrnují několik primitivních kreslicích funkcí, včetně čar, mnohoúhelníků, kruhů a oblouků, obdélníků a dalších jednoduchých tvarů. Z těchto primitiv mohou být konstruovány 3-D kompozity a zahrnují kostky, pyramidy, kužely, klíny, válce a koule. Tyto tvary mohou být kresleny v jakékoli barvě a naplněny plnými barvami nebo jinými vzory(nazývané šrafování). Kromě toho lze základní tvary měnit filetováním (zaoblením) nebo zkosením (segmentací čar).

na základě manipulace se základními tvary konstruují konstruktéři modely objektů. Model tvaru kosterního drátu je 3D reprezentace, která zobrazuje všechny hrany a funkce jako čáry. Realističtěji vypadající model se nazývá pevný model, což je 3d model objektu, který je navržen jako jednotný celek, který nevykazuje žádné skryté rysy. Pevný model představuje uzavřený objem. Zahrnuje informace o povrchu a data určující, zda uzavřený svazek obsahuje jiné objekty nebo funkce.

modelování pevných látek zahrnuje funkce pro vytváření 3D tvarů, kombinování tvarů (pomocí operací spojení, průniku a rozdílu), zametání (translační a rotační) pro převod jednoduchých tvarů na složitější, skinování (pro vytváření povrchových textur) a různé funkce vytváření hranic. Pevné modelování také zahrnuje parametrizaci, ve které CAD systém udržuje sadu vztahů mezi komponentami objektu, takže změny lze šířit do následujících konstrukcí.

běžné tvary jsou konstruovány do prvků (např., štěrbiny, otvory, kapsy), které pak mohou být zahrnuty do pevného modelu objektu. Reprezentace funkcí pomáhá uživateli definovat části. Zjednodušuje také návrh CAD softwaru, protože funkce lze snadněji parametrizovat než explicitní interakce. Objekty postavené z prvků se nazývají části. Vzhledem k tomu, že navržený produkt se skládá z několika částí, mnoho CAD systémů obsahuje užitečný model sestavy, ve kterém jsou součásti odkazovány a jsou uloženy jejich geometrické a funkční vztahy.

CAD modely lze manipulovat a prohlížet v široké škále kontextů. Mohou být viděny z libovolného úhlu a perspektivy požadované, rozbité nebo nakrájené na plátky, a dokonce projít simulačními testy pro analýzu silných stránek a vad designu. Části mohou být přesunuty v rámci svých souřadnicových systémů pomocí rotačních operací, které poskytují různé perspektivy části, a překlad, který umožňuje, aby se část přesunula na různá místa v zorném prostoru. Systémy CAD navíc poskytují cenné funkce kótování, které přiřazují hodnoty velikosti na základě výkresu návrháře.

pohyb těchto obrazů je formou animace. CAD systémy často zahrnují technologii virtuální reality, která vytváří animované obrázky, které simulují interakci v reálném světě s navrženým objektem. Pokud je například objekt budovou, systém virtuální reality vám může umožnit vizualizovat scénu, jako byste procházeli uvnitř a vně budovy, což vám umožní dynamicky prohlížet budovu z mnoha perspektiv. Aby bylo možné vytvářet realistické efekty, musí systém zobrazovat očekávané účinky světla odrážejícího se na povrchu, když se pohybuje v zorném prostoru uživatele. Tento proces se nazývá Vykreslování.

vykreslovací technologie zahrnuje zařízení pro stínování, odraz a sledování paprsků. Tato technika, která se také používá v sofistikovaných videohrách, poskytuje realistický obraz objektu a často pomáhá uživatelům rozhodovat se před investováním peněz do výstavby budov. Některá rozhraní virtuální reality zahrnují více než jen vizuální podněty. Ve skutečnosti umožňují návrháři zcela ponořit se do virtuálního prostředí a zažít kinestetickou interakci s navrženým zařízením.

některé CAD systémy přesahují pomoc při navrhování dílů a ve skutečnosti zahrnují funkce pro testování produktu proti namáhání v životním prostředí. Pomocí techniky zvané metoda konečných prvků (FEM) tyto systémy určují napětí, deformaci, přenos tepla, distribuci magnetického pole, tok tekutin a další problémy se spojitým polem.

analýza konečných prvků se netýká všech konstrukčních detailů, takže místo kompletního pevného modelu se používá síť. Generování sítě zahrnuje výpočet sady jednoduchých prvků, které poskytují dobrou aproximaci navržené části. Dobré zapojení musí mít za následek analytický model s dostatečnou přesností pro výpočet MKP, ale s minimálním počtem prvků, aby se zabránilo zbytečné složitosti.

kromě MKP poskytují některé CAD systémy řadu optimalizačních technik, včetně simulovaného žíhání a genetických algoritmů (vypůjčených z oblasti umělé inteligence). Tyto metody pomáhají zlepšit tvar, tloušťku a další parametry navrženého objektu a zároveň splňují uživatelsky definovaná omezení (např. přípustné úrovně napětí nebo omezení nákladů).

když návrhář používá CAD k vývoji návrhu produktu, jsou tato data uložena do databáze CAD. CAD systémy umožňují proces návrhu, ve kterém jsou objekty složeny z dílčích objektů, které jsou složeny z menších komponent atd. CAD databáze tak bývají objektově orientované. Vzhledem k tomu, že návrhy CAD mohou být použity v systémech CAM nebo sdíleny s jinými návrháři CAD pomocí různých softwarových balíčků, většina CAD balíčků zajišťuje, že jejich databáze odpovídají jednomu ze standardních formátů CAD dat. Jeden takový standard, vyvinutý americkým Národním normalizačním Institutem (ANSI), se nazývá Initial Graphics Exchange Specification (IGES).

dalším datovým formátem je DXF, který používá populární software AutoCAD a stává se de facto průmyslovým standardem. Schopnost převést z jednoho formátu do druhého se nazývá výměna dat, a je společným rysem mnoha CAD softwarových balíčků.

moderní CAD systémy nabízejí konstruktérům a firmám řadu výhod. Například umožňují uživatelům ušetřit čas, peníze a další zdroje tím, že automaticky generují standardní komponenty návrhu, umožňují opětovné použití dříve navržených komponent a usnadňují úpravy návrhu. Tyto systémy rovněž zajišťují ověřování návrhů podle specifikací, simulaci a testování návrhů a výstup návrhů a technické dokumentace přímo do výrobních zařízení. Zatímco někteří návrháři si stěžují, že omezení CAD systémů někdy slouží k omezení jejich kreativity, není pochyb o tom, že se staly nepostradatelným nástrojem v elektrickém, mechanickém a architektonickém designu.

CAM systémy

výrobní proces zahrnuje plánování procesů, plánování výroby (zahrnující nákup nástrojů, objednávání materiálů a programování číslicového řízení), výrobu, kontrolu kvality, balení, marketing a přepravu. CAM systémy pomáhají ve všech kromě posledních dvou kroků tohoto procesu. V systémech CAM počítač přímo nebo nepřímo spolupracuje s výrobními zdroji závodu.

plánování procesů je výrobní funkce, která určuje, které procesy a parametry mají být použity, stejně jako stroje provádějící tyto procesy. To často zahrnuje přípravu podrobných pracovních pokynů pro stroje pro montáž nebo výrobu dílů. Počítačem podporované systémy plánování procesů (CAPP) pomáhají automatizovat proces plánování tím, že na základě rodinné klasifikace vyráběného dílu vyvinou posloupnost operací potřebných pro výrobu tohoto dílu (někdy nazývaného směrování) spolu s textovými popisy práce, která má být provedena v každém kroku v sekvenci. Někdy jsou tyto procesní plány konstruovány na základě dat z CAD databází.

plánování procesů je obtížný problém plánování. Pro složitý výrobní postup by mohlo existovat obrovské množství možných permutací úkolů v procesu vyžadujícím použití sofistikovaných optimalizačních metod k získání nejlepšího plánu procesu. K vyřešení tohoto problému se často používají techniky, jako jsou genetické algoritmy a heuristické vyhledávání (založené na umělé inteligenci).

nejběžnější aplikací CAM je numerické řízení (NC), ve kterém naprogramované pokyny řídí obráběcí stroje, které brousí, řezají, frézují, děrují nebo ohýbají surové zásoby na hotové výrobky. Často NC zadává SPECIFIKACE z CAD databáze, spolu s dalšími informacemi od obsluhy obráběcího stroje. Typický NC obráběcí stroj zahrnuje řídicí jednotku stroje (MCU)a samotný obráběcí stroj. MCU obsahuje jednotku pro zpracování dat (DPU), která čte a dekóduje pokyny z dílčího programu, a jednotku řídicí smyčky (CLU), která převádí pokyny na řídicí signály a provozuje hnací mechanismy obráběcího stroje.

program součástí je sada příkazů, které obsahují geometrické informace o dílu a informace o pohybu o tom, jak by se měl řezný nástroj pohybovat vzhledem k obrobku. Řezná rychlost, rychlost posuvu a další informace jsou také specifikovány tak, aby splňovaly požadované tolerance součástí. Programování součástí je celá technická disciplína sama o sobě, vyžadující sofistikovaný programovací jazyk a referenční body souřadnicového systému. Někdy mohou být programy dílů generovány automaticky z databází CAD, kde geometrické a funkční specifikace návrhu CAD se automaticky převádějí do pokynů programu parts.

systémy numerického řízení se vyvíjejí do sofistikovanější technologie zvané rapid prototyping and manufacturing (RP&M). Tato technologie zahrnuje tři kroky: vytváření průřezů předmětů, které mají být vyrobeny, pokládání průřezů vrstvu po vrstvě a kombinování vrstev. Jedná se o přístup k výrobě bez nástrojů umožněný dostupností pevných modelovacích CAD systémů. RP&M se často používá pro hodnocení návrhů, ověřování funkčních specifikací a reverzní inženýrství.

řídicí systémy strojů se samozřejmě často používají ve spojení s robotickou technologií, využívající umělou inteligenci a počítačem řízené humanoidní fyzické schopnosti (např. obratnost, pohyb a vidění). Tito „oceláři“ zvyšují produktivitu a snižují náklady tím, že nahrazují lidské pracovníky v opakovaném, světském a nebezpečném prostředí.

CAM systémy často obsahují komponenty pro automatizaci funkce řízení kvality. To zahrnuje vyhodnocení specifikací produktů a procesů, testování příchozích materiálů a odchozích produktů a testování probíhajícího výrobního procesu. Systémy kontroly kvality často měří výrobky, které přicházejí z montážní linky, aby zajistily, že splňují specifikace tolerance stanovené v databázích CAD. Vytvářejí zprávy o výjimkách pro manažery montážních linek, pokud produkty nesplňují specifikace.

Stručně řečeno, CAM systémy zvyšují efektivitu výroby tím, že zjednodušují a automatizují výrobní procesy, zlepšují využití výrobních zařízení, snižují investice do výrobních zásob a nakonec zlepšují služby zákazníkům drastickým snížením situací mimo sklad.

DÁVAT TO VŠECHNO DOHROMADY: Počítačová integrovaná výroba

v systému CADCAM je část navržena na počítači (přes CAD) a poté přenášena přímo na počítačově řízené obráběcí stroje, které vyrábějí součást přes CAM. V rámci tohoto procesu bude na cestě mnoho dalších počítačových kroků. Celá oblast designu, manipulace s materiálem, výroby a balení je často označována jako počítačově integrovaná výroba (CIM).

CIM zahrnuje všechny aspekty CAD a CAM, stejně jako řízení zásob. Pro udržení nízkých nákladů mají společnosti silnou motivaci minimalizovat objemy zásob ve svých skladech. Zásady inventarizace Just-in-time (JIT) se stávají normou. Aby se to usnadnilo, CIM zahrnuje plánování materiálových požadavků (MRP) jako součást své celkové konfigurace. Systémy MRP pomáhají plánovat typy a množství materiálů, které budou potřebné pro výrobní proces. Spojení MRP s plánováním výroby CAM a řízením dílen se nazývá plánování výrobních zdrojů (MRPII). Sloučení MRP se systémy CADCAM tak integruje funkce výroby a řízení zásob organizace.

dnešní průmyslová odvětví nemohou přežít, pokud nemohou zavádět nové produkty s vysokou kvalitou, nízkými náklady a krátkou dodací lhůtou. Systémy CADCAM používají výpočetní technologii, aby se tyto požadavky staly skutečností, a slibují, že v dohledné budoucnosti budou mít významný vliv na design, inženýrství, a výrobní procesy.