COMPUTERGESTÜTZTES DESIGN UND FERTIGUNG

Computer Aided Design (CAD), auch bekannt als Computer Aided Design and Drafting (CADD), umfasst das gesamte Spektrum des Zeichnens mit Hilfe eines Computers – von geraden Linien bis hin zu benutzerdefinierten Animationen. In der Praxis bezieht sich CAD auf Software für den Entwurf von technischen und architektonischen Lösungen mit zwei- und dreidimensionalen Modellierungsfunktionen.

Computergestützte Fertigung (CAM) umfasst die Verwendung von Computern zur Unterstützung jedes Herstellungsprozesses, einschließlich flexibler Fertigung und Robotik. Oft dienen Ausgaben aus CAD-Systemen als Eingaben in CAM-Systeme. Wenn diese beiden Systeme zusammenarbeiten, wird das Ergebnis CADCAM genannt und wird Teil des computerintegrierten Fertigungsprozesses (CIM) eines Unternehmens.

CADCAM-Systeme sollen viele, wenn nicht alle Schritte eines typischen Produktlebenszyklus unterstützen. Der Produktlebenszyklus umfasst eine Entwurfsphase und eine Implementierungsphase. Die Designphase umfasst die Ermittlung der Designanforderungen und -spezifikationen; Durchführung einer Machbarkeitsstudie, Designdokumentation, Bewertung, Analyse und Optimierung; und Fertigstellung des Designs selbst. Die Implementierungsphase umfasst Prozessplanung, Produktionsplanung, Qualitätskontrolle, Verpackung, Marketing und Versand.

CAD-Systeme können bei den meisten Prozessen der Entwurfsphase helfen, während CAM-Systeme bei den meisten Implementierungsprozessen helfen können. Die Beiträge von CAD- und CAM-Systemen werden im Folgenden beschrieben.

CAD-SYSTEME

CAD-Systeme sind eine spezielle Form von Grafiksoftware und müssen daher den Grundprinzipien der Grafikprogrammierung entsprechen. Alle Grafikprogramme arbeiten im Kontext eines Grafikgeräts (z. B. eines Fensters auf einem Monitor, eines Druckers oder eines Plotters). Grafiken Bilder werden in Bezug auf ein 2D- oder 3D-Koordinatensystem gezeichnet, von dem es mehrere Typen gibt.

Ein Gerätekoordinatensystem ist 2-D und ordnet Bilder direkt den Punkten (Pixeln) des Hardwaregeräts zu. Um geräteunabhängige Grafiken zu ermöglichen, abstrahiert ein virtuelles Gerätekoordinatensystem die 2D-Punkte in ein logisches Gerüst.

Natürlich sind die Geräte, die entworfen werden, im Allgemeinen 3D-Objekte, die auch ein Weltkoordinatensystem zur Darstellung des Raums, in dem sich die Objekte befinden, und ein Modellkoordinatensystem zur Darstellung jedes der Objekte in diesem Raum erfordern. Die CAD-Software enthält Algorithmen zur Projektion der 3D-Modelle auf die 2D-Gerätekoordinatensysteme und umgekehrt.

CAD-Systeme enthalten mehrere primitive Zeichenfunktionen, darunter Linien, Polygone, Kreise und Bögen, Rechtecke und andere einfache Formen. Aus diesen Grundelementen können 3D-Verbundwerkstoffe konstruiert werden, die Würfel, Pyramiden, Kegel, Keile, Zylinder und Kugeln umfassen. Diese Formen können in jeder Farbe gezeichnet und mit Volltonfarben oder anderen Mustern (Schraffur genannt) gefüllt werden. Darüber hinaus können Grundformen durch Filetieren (Abrunden) oder Anfasen (Liniensegmentierung) verändert werden.

Basierend auf der Manipulation von Grundformen konstruieren Designer Modelle von Objekten. Ein Skelett-Drahtformmodell ist eine 3D-Darstellung, die alle Kanten und Merkmale als Linien zeigt. Ein realistischeres Modell wird als Volumenmodell bezeichnet, bei dem es sich um ein 3D-Modell des Objekts handelt, das als einheitliches Ganzes entworfen wurde und keine versteckten Merkmale aufweist. Das Volumenmodell stellt ein geschlossenes Volumen dar. Es enthält Oberflächeninformationen und Daten, die bestimmen, ob das geschlossene Volumen andere Objekte oder Merkmale enthält.

Die Volumenmodellierung umfasst Funktionen zum Erstellen von 3D-Formen, zum Kombinieren von Formen (über Vereinigungs-, Schnitt- und Differenzoperationen), zum Kehren (translatorisch und rotatorisch) zum Konvertieren einfacher Formen in komplexere, zum Skinning (zum Erstellen von Oberflächentexturen) und verschiedene Funktionen zum Erstellen von Grenzen. Die Volumenmodellierung umfasst auch die Parametrierung, bei der das CAD-System eine Reihe von Beziehungen zwischen den Komponenten eines Objekts aufrechterhält, sodass Änderungen auf folgende Konstruktionen übertragen werden können.

Gängige Shapes werden in Features (z., schlitze, Löcher, Taschen), die dann in ein Volumenmodell eines Objekts aufgenommen werden können. Die Merkmalsdarstellung hilft dem Benutzer, Teile zu definieren. Es vereinfacht auch das CAD-Softwaredesign, da Features einfacher zu parametrieren sind als explizite Interaktionen. Objekte, die aus Features erstellt werden, werden als Teile bezeichnet. Da ein zu konstruierendes Produkt aus mehreren Teilen besteht, enthalten viele CAD-Systeme ein nützliches Montagemodell, in dem die Teile referenziert und ihre geometrischen und funktionalen Beziehungen gespeichert werden.

CAD-Modelle können in den unterschiedlichsten Kontexten bearbeitet und betrachtet werden. Sie können aus jedem gewünschten Winkel und jeder gewünschten Perspektive betrachtet, auseinandergebrochen oder in Scheiben geschnitten und sogar Simulationstests unterzogen werden, um Stärken und Konstruktionsfehler zu analysieren. Teile können innerhalb ihrer Koordinatensysteme durch Rotationsoperationen, die unterschiedliche Perspektiven eines Teils bieten, und Translation, die es dem Teil ermöglicht, sich an verschiedene Stellen im Ansichtsraum zu bewegen, bewegt werden. Darüber hinaus bieten CAD-Systeme wertvolle Bemaßungsfunktionen, die Größenwerte basierend auf der Zeichnung des Konstrukteurs zuweisen.

Die Bewegung dieser Bilder ist eine Form der Animation. CAD-Systeme enthalten häufig Virtual-Reality-Technologie, die animierte Bilder erzeugt, die eine reale Interaktion mit dem zu konstruierenden Objekt simulieren. Wenn es sich bei dem Objekt beispielsweise um ein Gebäude handelt, können Sie mit dem Virtual-Reality-System die Szene so visualisieren, als würden Sie innerhalb und außerhalb des Gebäudes herumlaufen, sodass Sie das Gebäude aus einer Vielzahl von Perspektiven dynamisch anzeigen können. Um realistische Effekte zu erzielen, muss das System die erwarteten Auswirkungen von Licht darstellen, das auf der Oberfläche reflektiert wird, wenn es sich durch den Sichtraum des Benutzers bewegt. Dieser Vorgang wird als Rendering bezeichnet.

Die Rendering-Technologie umfasst Einrichtungen für Schattierung, Reflexion und Raytracing. Diese Technik, die auch in anspruchsvollen Videospielen verwendet wird, liefert ein realistisches Bild des Objekts und hilft Benutzern häufig, Entscheidungen zu treffen, bevor sie Geld in den Hochbau investieren. Einige Virtual-Reality-Schnittstellen beinhalten mehr als nur visuelle Reize. Tatsächlich ermöglichen sie es dem Designer, vollständig in die virtuelle Umgebung einzutauchen und eine kinästhetische Interaktion mit dem entworfenen Gerät zu erleben.

Einige CAD-Systeme gehen über die Unterstützung beim Teiledesign hinaus und enthalten tatsächlich Funktionen zum Testen eines Produkts gegen Belastungen in der Umwelt. Mit einer Technik namens Finite-Elemente-Methode (FEM) bestimmen diese Systeme Spannung, Verformung, Wärmeübertragung, Magnetfeldverteilung, Flüssigkeitsströmung und andere kontinuierliche Feldprobleme.

Die Finite-Elemente-Analyse befasst sich nicht mit allen Konstruktionsdetails, daher wird anstelle des vollständigen Volumenmodells ein Netz verwendet. Bei der Netzgenerierung wird eine Reihe einfacher Elemente berechnet, die eine gute Annäherung an das entworfene Teil ergeben. Eine gute Vernetzung muss zu einem analytischen Modell mit ausreichender Genauigkeit für die FEM-Berechnung führen, jedoch mit einer minimalen Anzahl von Elementen, um unnötige Komplexität zu vermeiden.

Zusätzlich zu FEM bieten einige CAD-Systeme eine Vielzahl von Optimierungstechniken, einschließlich simuliertem Glühen und genetischen Algorithmen (entlehnt aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz). Diese Methoden helfen dabei, die Form, Dicke und andere Parameter eines entworfenen Objekts zu verbessern und gleichzeitig benutzerdefinierte Einschränkungen (z. B. zulässige Spannungsniveaus oder Kostenbeschränkungen) zu erfüllen.

Wenn ein Konstrukteur CAD verwendet, um ein Produktdesign zu entwickeln, werden diese Daten in einer CAD-Datenbank gespeichert. CAD-Systeme ermöglichen einen Konstruktionsprozess, bei dem Objekte aus Unterobjekten bestehen, die aus kleineren Komponenten bestehen, und so weiter. Daher sind CAD-Datenbanken in der Regel objektorientiert. Da CAD-Konstruktionen möglicherweise in CAM-Systemen verwendet oder mit anderen CAD-Konstrukteuren unter Verwendung einer Vielzahl von Softwarepaketen geteilt werden müssen, stellen die meisten CAD-Pakete sicher, dass ihre Datenbanken einem der Standard-CAD-Datenformate entsprechen. Ein solcher Standard, der vom American National Standards Institute (ANSI) entwickelt wurde, heißt Initial Graphics Exchange Specification (IGES).

Ein weiteres Datenformat ist DXF, das von der beliebten AutoCAD-Software verwendet wird und de facto zum Industriestandard wird. Die Fähigkeit, von einem Dateiformat in ein anderes zu konvertieren, wird als Datenaustausch bezeichnet und ist ein gemeinsames Merkmal vieler CAD-Softwarepakete.

Moderne CAD-Systeme bieten Konstrukteuren und Unternehmen eine Reihe von Vorteilen. Sie ermöglichen es Benutzern beispielsweise, Zeit, Geld und andere Ressourcen zu sparen, indem sie automatisch Standardkomponenten eines Designs generieren, die Wiederverwendung zuvor entworfener Komponenten ermöglichen und Designänderungen erleichtern. Solche Systeme ermöglichen auch die Überprüfung von Konstruktionen anhand von Spezifikationen, die Simulation und Prüfung von Konstruktionen sowie die Ausgabe von Konstruktionen und Konstruktionsdokumentationen direkt an Fertigungseinrichtungen. Während einige Designer beklagen, dass die Einschränkungen von CAD-Systemen manchmal dazu dienen, ihre Kreativität einzudämmen, besteht kein Zweifel, dass sie zu einem unverzichtbaren Werkzeug in der elektrischen, mechanischen und architektonischen Gestaltung geworden sind.

CAM-SYSTEME

Der Fertigungsprozess umfasst die Prozessplanung, die Produktionsplanung (Werkzeugbeschaffung, Materialbestellung und numerische Steuerungsprogrammierung), die Produktion, die Qualitätskontrolle, die Verpackung, das Marketing und den Versand. CAM-Systeme unterstützen alle außer den letzten beiden Schritten dieses Prozesses. In CAM-Systemen ist der Computer direkt oder indirekt mit den Produktionsressourcen der Anlage verbunden.

Die Prozessplanung ist eine Fertigungsfunktion, die festlegt, welche Prozesse und Parameter verwendet werden sollen, sowie die Maschinen, die diese Prozesse ausführen. Dies beinhaltet häufig die Erstellung detaillierter Arbeitsanweisungen an Maschinen zur Montage oder Herstellung von Teilen. Computer-Aided Process Planning (CAPP) -Systeme helfen, den Planungsprozess zu automatisieren, indem sie auf der Grundlage der Familienklassifizierung des zu produzierenden Teils eine Abfolge von Vorgängen entwickeln, die für die Herstellung dieses Teils erforderlich sind (manchmal auch als Routing bezeichnet), zusammen mit Textbeschreibungen der Arbeit, die bei jedem Schritt in der Sequenz ausgeführt werden muss. Manchmal werden diese Prozesspläne auf Basis von Daten aus den CAD-Datenbanken erstellt.

Die Prozessplanung ist ein schwieriges Planungsproblem. Für ein komplexes Herstellungsverfahren könnte es eine große Anzahl möglicher Permutationen von Aufgaben in einem Prozess geben, die den Einsatz ausgefeilter Optimierungsmethoden erfordern, um den besten Prozessplan zu erhalten. Techniken wie genetische Algorithmen und heuristische Suche (basierend auf künstlicher Intelligenz) werden häufig eingesetzt, um dieses Problem zu lösen.

Die häufigste CAM-Anwendung ist die numerische Steuerung (NC), bei der programmierte Anweisungen Werkzeugmaschinen steuern, die Rohmaterial schleifen, schneiden, fräsen, stanzen oder zu fertigen Produkten biegen. Oft gibt die NC Spezifikationen aus einer CAD-Datenbank zusammen mit zusätzlichen Informationen vom Werkzeugmaschinenbediener ein. Eine typische NC-Werkzeugmaschine umfasst eine Maschinensteuereinheit (MCU) und die Werkzeugmaschine selbst. Die MCU umfasst eine Datenverarbeitungseinheit (DPU), die Anweisungen aus einem Teileprogramm liest und decodiert, und eine Regelkreiseinheit (CLU), die die Anweisungen in Steuersignale umwandelt und die Antriebsmechanismen der Werkzeugmaschine betätigt.

Das Teileprogramm ist eine Reihe von Anweisungen, die geometrische Informationen über das Teil und Bewegungsinformationen darüber enthalten, wie sich das Schneidwerkzeug in Bezug auf das Werkstück bewegen soll. Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und andere Informationen werden ebenfalls angegeben, um die erforderlichen Teiletoleranzen einzuhalten. Die Teileprogrammierung ist eine ganze technische Disziplin für sich, die eine ausgeklügelte Programmiersprache und Koordinatensystemreferenzpunkte erfordert. Manchmal können Teileprogramme automatisch aus CAD-Datenbanken generiert werden, wobei die geometrischen und funktionalen Spezifikationen der CAD-Konstruktion automatisch in die Teileprogrammanweisungen übersetzt werden.

Numerische Steuerungssysteme entwickeln sich zu einer anspruchsvolleren Technologie namens Rapid Prototyping and Manufacturing (RP&M). Diese Technologie umfasst drei Schritte: Bilden von Querschnitten der herzustellenden Objekte, schichtweises Verlegen von Querschnitten und Kombinieren der Schichten. Dies ist ein werkzeugloser Ansatz für die Fertigung, der durch die Verfügbarkeit von Solid Modeling CAD-Systemen ermöglicht wird. RP&M wird häufig zur Bewertung von Designs, zur Überprüfung von funktionalen Spezifikationen und zum Reverse Engineering verwendet.

Natürlich werden Maschinensteuerungssysteme häufig in Verbindung mit der Robotiktechnologie eingesetzt, wobei künstliche Intelligenz und computergesteuerte humanoide physische Fähigkeiten (z. B. Geschicklichkeit, Bewegung und Sehen) genutzt werden. Diese „Stahlarbeiter“ steigern die Produktivität und senken die Kosten, indem sie menschliche Arbeiter in sich wiederholenden, alltäglichen und gefährlichen Umgebungen ersetzen.

CAM-Systeme enthalten häufig Komponenten zur Automatisierung der Qualitätskontrollfunktion. Dies beinhaltet die Bewertung von Produkt- und Prozessspezifikationen, die Prüfung eingehender Materialien und ausgehender Produkte sowie die Prüfung des laufenden Produktionsprozesses. Qualitätskontrollsysteme messen häufig die Produkte, die vom Fließband kommen, um sicherzustellen, dass sie die in den CAD-Datenbanken festgelegten Toleranzspezifikationen erfüllen. Sie erstellen Ausnahmeberichte für die Montagelinien-Manager, wenn Produkte nicht den Spezifikationen entsprechen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass CAM-Systeme die Fertigungseffizienz erhöhen, indem sie Produktionsprozesse vereinfachen und automatisieren, die Auslastung von Produktionsanlagen verbessern, Investitionen in Produktionsbestände reduzieren und letztendlich den Kundenservice verbessern, indem sie Out-of-Stock-Situationen drastisch reduzieren.

ALLES ZUSAMMEN: COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING

In einem CADCAM-System wird ein Teil am Computer (via CAD) entworfen und dann direkt an die computergesteuerten Werkzeugmaschinen übertragen, die das Teil per CAM herstellen. Innerhalb dieses Prozesses wird es viele andere computergestützte Schritte auf dem Weg geben. Der gesamte Bereich von Design, Materialhandling, Fertigung und Verpackung wird oft als computerintegrierte Fertigung (CIM) bezeichnet.

CIM umfasst alle Aspekte von CAD und CAM sowie die Bestandsverwaltung. Um die Kosten niedrig zu halten, haben Unternehmen eine starke Motivation, das Lagervolumen in ihren Lagern zu minimieren. Just-in-Time (JIT) -Bestandsrichtlinien werden zur Norm. Um dies zu erleichtern, umfasst CIM die Materialbedarfsplanung (MRP) als Teil seiner Gesamtkonfiguration. MRP-Systeme helfen bei der Planung der Arten und Mengen von Materialien, die für den Herstellungsprozess benötigt werden. Die Verschmelzung von MRP mit der Produktionsplanung und Fertigungssteuerung von CAM wird Manufacturing Resource Planning (MRPII) genannt. Somit integriert die Fusion von MRP mit CADCAM-Systemen die Produktions- und Bestandskontrollfunktionen einer Organisation.

Die heutige Industrie kann nicht überleben, wenn sie nicht neue Produkte mit hoher Qualität, niedrigen Kosten und kurzer Vorlaufzeit einführen kann. CADCAM-Systeme wenden Computertechnologie an, um diese Anforderungen Wirklichkeit werden zu lassen, und versprechen, auf absehbare Zeit einen großen Einfluss auf Design-, Engineering- und Fertigungsprozesse auszuüben.