computerstøttet DESIGN og fremstilling

computerstøttet design (CAD), også kendt som computerstøttet design og udarbejdelse (CADD), involverer hele spektret af tegning ved hjælp af en computer-fra lige linjer til Brugerdefineret animation. I praksis henviser CAD til programmer til design af tekniske og arkitektoniske løsninger, komplet med to – og tredimensionelle modelleringsfunktioner.

computerstøttet produktion (CAM) involverer brug af computere til at hjælpe i enhver fremstillingsproces, herunder fleksibel fremstilling og robotik. Ofte fungerer output fra CAD-systemer som input til CAM-systemer. Når disse to systemer fungerer sammen, kaldes resultatet CADCAM og bliver en del af et firmas computerintegrerede fremstillingsproces (CIM).

CADCAM-systemer er beregnet til at hjælpe i mange, hvis ikke alle, trin i en typisk produktlivscyklus. Produktets livscyklus indebærer en designfase og en implementeringsfase. Designfasen inkluderer identifikation af designbehov og specifikationer; udførelse af en gennemførlighedsundersøgelse, designdokumentation, evaluering, analyse og optimering; og færdiggørelse af selve designet. Implementeringsfasen inkluderer procesplanlægning, produktionsplanlægning, kvalitetskontrol, emballage, markedsføring og forsendelse.

CAD-systemer kan hjælpe med de fleste designfaseprocesser, mens CAM-systemer kan hjælpe med de fleste implementeringsprocesser. Bidragene fra CAD-og CAM-systemer er beskrevet nedenfor.

CAD-systemer

CAD-systemer er en specialiseret form for grafikprogrammering og skal således overholde de grundlæggende principper for grafikprogrammering. Alle grafikprogrammer fungerer i forbindelse med en grafikenhed (f.eks. et vindue på en skærm, en printer eller en plotter). Grafikbilleder tegnes i forhold til et 2-D eller 3-D koordinatsystem, hvoraf der er flere typer.

et enhedskoordinatsystem er 2-D og kortlægger billeder direkte til apparatets punkter (billedpunkter). For at lette enhedsuafhængig grafik abstraherer et virtuelt enhedskoordinatsystem 2-D-punkterne i en logisk ramme.

selvfølgelig er de enheder, der designes, generelt 3D-objekter, som også kræver et verdenskoordinatsystem til at repræsentere det rum, hvor objekterne befinder sig, og et modelkoordinatsystem til at repræsentere hvert af objekterne i dette rum. CAD indeholder algoritmer til at projicere 3D-modellerne på 2D-enhedskoordinatsystemerne og omvendt.

CAD-systemer omfatter flere primitive tegnefunktioner, herunder linjer, polygoner, cirkler og buer, rektangler og andre enkle former. Fra disse primitiver kan 3D-kompositter konstrueres og inkluderer terninger, pyramider, kegler, kiler, cylindre og kugler. Disse former kan tegnes i enhver farve og fyldes med solide farver eller andre mønstre (kaldet ruge). Derudover kan grundlæggende former ændres ved filetering (afrunding) eller affasning (linjesegmentering).

baseret på manipulation af grundlæggende former konstruerer designere modeller af objekter. En skelettrådformmodel er en 3D-repræsentation, der viser alle kanter og funktioner som linjer. En mere realistisk model kaldes en solid model, som er en 3d-model af objektet, der er designet som en enhed, der ikke viser nogen skjulte funktioner. Den faste model repræsenterer et lukket volumen. Det inkluderer overfladeinformation og data, der bestemmer, om det lukkede volumen indeholder andre objekter eller funktioner.

Solid modellering involverer funktioner til oprettelse af 3D-former, kombination af former (via forening, kryds og forskel operationer), fejning (translationel og roterende) til konvertering af enkle former til mere komplekse, flåning (til oprettelse af overfladestrukturer) og forskellige grænseoprettelsesfunktioner. Solid modellering inkluderer også parameterisering, hvor CAD-systemet opretholder et sæt forhold mellem komponenterne i et objekt, så ændringer kan formeres til følgende konstruktioner.

almindelige former er konstrueret til funktioner (f. eks. lommer), som derefter kan indgå i en solid model af et objekt. Funktionsrepræsentation hjælper brugeren med at definere dele. Det forenkler også CAD-programdesign, fordi funktioner er lettere at parametrere end eksplicitte interaktioner. Objekter bygget af funktioner kaldes dele. Da et produkt, der designes, består af flere dele, inkluderer mange CAD-systemer en nyttig samlingsmodel, hvor delene henvises til, og deres geometriske og funktionelle forhold gemmes.

CAD-modeller kan manipuleres og ses i en lang række sammenhænge. De kan ses fra enhver vinkel og perspektiv ønsket, brudt fra hinanden eller skåret, og endda sat gennem simulation tests for at analysere for styrker og defekter i design. Dele kan flyttes inden for deres koordinatsystemer via rotationsoperationer, som giver forskellige perspektiver for en del, og oversættelse, som gør det muligt for delen at flytte til forskellige steder i visningsrummet. Derudover giver CAD-systemer værdifuld dimensioneringsfunktionalitet, der tildeler størrelsesværdier baseret på designerens tegning.

bevægelsen af disse billeder er en form for animation. Ofte inkluderer CAD-systemer virtual reality-teknologi, der producerer animerede billeder, der simulerer en interaktion i den virkelige verden med det objekt, der designes. For eksempel, hvis objektet er en bygning, kan virtual reality-systemet muligvis give dig mulighed for at visualisere scenen, som om du gik rundt i indersiden og ydersiden af bygningen, så du dynamisk kan se bygningen fra en lang række perspektiver. For at producere realistiske effekter skal systemet skildre de forventede effekter af lysreflekterende på overfladen, når det bevæger sig gennem brugerens visningsrum. Denne proces kaldes gengivelse.

Rendering teknologi omfatter faciliteter til skygge, refleksion og ray tracing. Denne teknik, som også bruges i sofistikerede videospil, giver et realistisk billede af objektet og hjælper ofte brugerne med at træffe beslutninger, inden de investerer penge i bygningskonstruktion. Nogle virtual reality-grænseflader involverer mere end bare visuelle stimuli. Faktisk tillader de designeren at blive helt nedsænket i det virtuelle miljø og opleve kinestetisk interaktion med den designede enhed.

nogle CAD-systemer går ud over at hjælpe med design af dele og inkluderer faktisk funktionalitet til test af et produkt mod belastninger i miljøet. Ved hjælp af en teknik kaldet finite element method (FEM) bestemmer disse systemer stress, deformation, varmeoverførsel, magnetfeltfordeling, væskestrøm og andre kontinuerlige feltproblemer.

endelig elementanalyse er ikke bekymret for alle designdetaljer, så i stedet for den komplette solide model anvendes et maske. Mesh generation indebærer beregning af et sæt enkle elementer, der giver en god tilnærmelse af den designede del. En god meshing skal resultere i en analytisk model med tilstrækkelig præcision til fem-beregningen, men med et minimum antal elementer for at undgå unødvendig kompleksitet.

ud over FEM leverer nogle CAD-systemer en række optimeringsteknikker, herunder simuleret udglødning og genetiske algoritmer (lånt fra området kunstig intelligens). Disse metoder hjælper med at forbedre formen, tykkelsen og andre parametre for et designet objekt, mens de opfylder brugerdefinerede begrænsninger (f.eks. tilladte stressniveauer eller omkostningsbegrænsninger).

når en designer bruger CAD til at udvikle et produktdesign, gemmes disse data i en CAD-database. CAD-systemer giver mulighed for en designproces, hvor objekter er sammensat af underobjekter, der er sammensat af mindre komponenter osv. CAD-databaser har således en tendens til at være objektorienterede. Da CAD-design muligvis skal bruges i CAM-systemer eller deles med andre CAD-designere ved hjælp af en række programpakker, sikrer de fleste CAD-pakker, at deres databaser er i overensstemmelse med et af standard CAD-dataformaterne. En sådan standard, udviklet af American National Standards Institute (ANSI), kaldes Initial Grafikudvekslingsspecifikation (IGES).

et andet dataformat er Dksf, som bruges af det populære AutoCAD-program og bliver en de facto industristandard. Evnen til at konvertere fra et filformat til et andet kaldes dataudveksling og er et fælles træk ved mange CAD-programpakker.

moderne CAD-systemer tilbyder en række fordele for designere og virksomheder. For eksempel giver de brugerne mulighed for at spare tid, penge og andre ressourcer ved automatisk at generere standardkomponenter i et design, tillade genbrug af tidligere designede komponenter og lette designændring. Sådanne systemer giver også mulighed for verifikation af design i forhold til SPECIFIKATIONER, simulering og test af design og output af design og teknisk dokumentation direkte til produktionsanlæg. Mens nogle designere klager over, at begrænsningerne i CAD-systemer undertiden tjener til at bremse deres kreativitet, er der ingen tvivl om, at de er blevet et uundværligt værktøj inden for elektrisk, mekanisk og arkitektonisk design.

CAM SYSTEMS

fremstillingsprocessen omfatter proces planlægning, produktion planlægning (involverer værktøj Indkøb, materialer bestilling, og numerisk styring programmering), produktion, kvalitetskontrol, emballage, markedsføring og forsendelse. CAM-systemer hjælper i alle undtagen de sidste to trin i denne proces. I CAM-systemer grænseflader computeren direkte eller indirekte med anlæggets produktionsressourcer.

procesplanlægning er en produktionsfunktion, der fastlægger, hvilke processer og parametre der skal bruges, samt de maskiner, der udfører disse processer. Dette indebærer ofte at udarbejde detaljerede arbejdsinstruktioner til maskiner til montering eller fremstilling af dele. Computerstøttet procesplanlægning (CAPP) – systemer hjælper med at automatisere planlægningsprocessen ved at udvikle, baseret på familieklassificeringen af den del, der produceres, en række operationer, der kræves til fremstilling af denne del (undertiden kaldet en routing) sammen med tekstbeskrivelser af det arbejde, der skal udføres på hvert trin i sekvensen. Nogle gange er disse procesplaner konstrueret ud fra data fra CAD-databaserne.

procesplanlægning er et vanskeligt planlægningsproblem. For en kompleks fremstillingsprocedure kan der være et stort antal mulige permutationer af opgaver i en proces, der kræver brug af sofistikerede optimeringsmetoder for at opnå den bedste procesplan. Teknikker som genetiske algoritmer og heuristisk søgning (baseret på kunstig intelligens) anvendes ofte til at løse dette problem.

den mest almindelige CAM-applikation er numerisk kontrol (NC), hvor programmerede instruktioner styrer værktøjsmaskiner, der slibes, skæres, fræses, stanses eller bøjes rå lager til færdige produkter. Ofte indtaster NC SPECIFIKATIONER fra en CAD-database sammen med yderligere oplysninger fra maskinværktøjsoperatøren. Et typisk NC-maskinværktøj inkluderer en maskinstyringsenhed (MCU) og selve maskinværktøjet. MCU ‘ en inkluderer en databehandlingsenhed (DPU), der læser og afkoder instruktioner fra et delprogram, og en kontrolsløjfeenhed (CLU), der konverterer instruktionerne til styresignaler og driver maskinværktøjets drivmekanismer.

delprogrammet er et sæt udsagn, der indeholder geometriske oplysninger om delen og bevægelsesinformationen om, hvordan skæreværktøjet skal bevæge sig i forhold til emnet. Skærehastighed, tilførselshastighed og anden information er også specificeret for at opfylde de krævede deltolerancer. Delprogrammering er en hel teknisk disciplin i sig selv, der kræver et sofistikeret programmeringssprog og koordinatsystemreferencepunkter. Nogle gange kan dele programmer genereres automatisk fra CAD databaser, hvor de geometriske og funktionelle specifikationer af CAD design automatisk oversætte til dele program instruktioner.

numeriske styresystemer udvikler sig til en mere sofistikeret teknologi kaldet rapid prototyping and manufacturing (RP &M). Denne teknologi involverer tre trin: dannelse af tværsnit af de objekter, der skal fremstilles, lægning af tværsnit lag for lag og kombination af lagene. Dette er en værktøjsfri tilgang til fremstilling muliggjort af tilgængeligheden af solide modellerings-CAD-systemer. RP&M bruges ofte til at evaluere design, verificere funktionelle specifikationer og reverse engineering.

selvfølgelig anvendes maskinstyringssystemer ofte i forbindelse med robotikteknologi, der gør brug af kunstig intelligens og computerstyrede humanoide fysiske evner (f.eks. fingerfærdighed, bevægelse og vision). Disse “stålkravearbejdere” øger produktiviteten og reducerer omkostningerne ved at erstatte menneskelige arbejdere i gentagne, verdslige og farlige miljøer.

CAM-systemer indeholder ofte komponenter til automatisering af kvalitetskontrolfunktionen. Dette indebærer evaluering af produkt-og processpecifikationer, test af indgående materialer og udgående produkter og test af den igangværende produktionsproces. Kvalitetskontrolsystemer måler ofte de produkter, der kommer ud af samlebåndet for at sikre, at de opfylder de tolerancespecifikationer, der er fastlagt i CAD-databaserne. De producerer undtagelsesrapporter for samlebåndslederne, når produkterne ikke opfylder specifikationerne.

sammenfattende øger CAM-systemer produktionseffektiviteten ved at forenkle og automatisere produktionsprocesser, forbedre udnyttelsen af produktionsfaciliteter, reducere investeringer i produktionsopgørelser og i sidste ende forbedre kundeservice ved drastisk at reducere situationer, der ikke er på lager.

SÆTTER DET HELE SAMMEN: COMPUTERINTEGRERET produktion

i et CADCAM-system er en del designet på computeren (via CAD) og derefter transmitteret direkte til de computerdrevne værktøjsmaskiner, der fremstiller delen via CAM. Inden for denne proces vil der være mange andre edb-trin undervejs. Hele verden af design, materialehåndtering, fremstilling og emballage kaldes ofte computerintegreret fremstilling (CIM).

CIM omfatter alle aspekter af CAD og CAM, samt lagerstyring. For at holde omkostningerne nede har virksomheder en stærk motivation til at minimere lagermængder i deres lagre. Just-in-time (JIT) lagerpolitikker bliver normen. For at lette dette inkluderer CIM materialekravsplanlægning (MRP) som en del af dens samlede konfiguration. MRP-systemer hjælper med at planlægge de typer og mængder materialer, der er nødvendige for fremstillingsprocessen. Fusionen af MRP med cams produktionsplanlægning og shop floor control kaldes manufacturing resource planning (MRPII). Fusionen af MRP med CADCAM systems integrerer således Produktions-og lagerstyringsfunktionerne i en organisation.

dagens industrier kan ikke overleve, medmindre de kan introducere nye produkter med høj kvalitet, lave omkostninger og kort leveringstid. CADCAM-systemer anvender computerteknologi for at gøre disse krav til virkelighed og lover at udøve en stor indflydelse på design, teknik og fremstillingsprocesser i overskuelig fremtid.