tietokoneavusteinen suunnittelu ja valmistus

Tietokoneavusteinen suunnittelu (CAD), joka tunnetaan myös nimellä tietokoneavusteinen suunnittelu ja laatiminen (CADD), käsittää koko kirjon piirtämistä tietokoneen avulla-suorista viivoista mukautettuun animaatioon. Käytännössä CAD tarkoittaa teknisiä ja arkkitehtonisia ratkaisuja suunnittelevia ohjelmistoja, joissa on kaksi-ja kolmiulotteiset mallinnusominaisuudet.

tietokoneavusteinen valmistus (Cam) tarkoittaa tietokoneiden käyttöä apuna kaikissa valmistusprosesseissa, mukaan lukien joustava valmistus ja robotiikka. Usein CAD-järjestelmien tuotokset toimivat syötteinä CAM-järjestelmiin. Kun nämä kaksi järjestelmää toimivat yhdessä, tulosta kutsutaan CADCAM: ksi ja siitä tulee osa yrityksen computer-integrated manufacturing (CIM) – prosessia.

CADCAM-järjestelmien on tarkoitus auttaa monissa, ellei kaikissa, tyypillisen tuotteen elinkaaren vaiheissa. Tuotteen elinkaareen kuuluu suunnitteluvaihe ja toteutusvaihe. Suunnitteluvaihe sisältää suunnittelutarpeiden ja eritelmien tunnistamisen; toteutettavuustutkimuksen, suunnitteludokumentaation, arvioinnin, analyysin ja optimoinnin suorittamisen; ja itse suunnittelun loppuun saattamisen. Toteutusvaihe sisältää prosessisuunnittelun, tuotantosuunnittelun, laadunvalvonnan, pakkaamisen, markkinoinnin ja merenkulun.

CAD-järjestelmät voivat auttaa useimmissa suunnitteluvaiheen prosesseissa, kun taas CAM-järjestelmät voivat auttaa useimmissa toteutusprosesseissa. CAD-ja CAM-järjestelmien osuus on kuvattu alla.

CAD-järjestelmät

CAD-järjestelmät ovat grafiikkaohjelmistojen erikoismuoto, joten niiden on noudatettava grafiikkaohjelmoinnin perusperiaatteita. Kaikki grafiikkaohjelmat toimivat grafiikkalaitteen yhteydessä (esim.näytön ikkuna, tulostin tai piirturi). Grafiikkakuvat piirretään suhteessa 2-D-tai 3-D-koordinaattijärjestelmään, joita on useita tyyppejä.

laitteen koordinaattijärjestelmä on 2-D ja se kartoittaa kuvia suoraan laitteen pisteisiin (pikseleihin). Laiteriippumattoman grafiikan helpottamiseksi virtuaalilaitekoordinaatisto abstrahoi 2-D-pisteet loogiseen kehykseen.

suunniteltavat laitteet ovat yleensä 3-D-objekteja, joihin tarvitaan myös maailmankoordinaatisto, joka kuvaa sitä tilaa, jossa objektit oleskelevat, ja mallikoordinaatisto, jolla voidaan edustaa kutakin kyseisen tilan objektia. CAD-ohjelmisto sisältää algoritmeja 3-D-mallien projisoimiseksi 2-D-laitteen koordinaattijärjestelmiin ja päinvastoin.

CAD-järjestelmiin kuuluu useita alkeellisia piirtofunktioita, kuten viivoja, monikulmioita, ympyröitä ja kaaria, suorakulmioita ja muita yksinkertaisia muotoja. Näistä primitiiveistä voidaan rakentaa 3d-komposiitteja, ja niihin kuuluvat kuutiot, pyramidit, kartiot, kiilat, sylinterit ja pallot. Nämä muodot voidaan piirtää millä tahansa värillä ja täyttää yksivärisillä tai muilla kuvioilla (kutsutaan kuoriutumiseksi). Lisäksi perusmuotoja voidaan muuttaa fileoimalla (pyöristämällä) tai viistämällä (viistämällä).

suunnittelijat rakentavat perusmuotojen manipuloinnin perusteella pienoismalleja esineistä. Luurankolangan Muoto malli on 3-D-esitys, joka näyttää kaikki reunat ja ominaisuudet viivoina. Realistisemman näköistä mallia kutsutaan kiinteäksi malliksi, joka on 3-D-malli suunnitellusta kohteesta yhtenäisenä kokonaisuutena, jossa ei ole piilotettuja ominaisuuksia. Kiinteä malli edustaa suljettua tilavuutta. Se sisältää pintatietoa ja tietoa, joka määrittää, sisältääkö suljettu volyymi muita esineitä tai ominaisuuksia.

Kiinteämallinnukseen kuuluu toimintoja, joilla luodaan 3-D-muotoja, yhdistetään muotoja (liitto -, leikkaus-ja erotusoperaatioiden kautta), lakaistaan (translaatio-ja pyörimisliike) yksinkertaisten muotojen muuntamiseksi monimutkaisemmiksi, nyljetään (pintarakenteiden luomiseksi) ja luodaan erilaisia rajamuodostusfunktioita. Kiinteämallinnukseen kuuluu myös parametrisointi, jossa CAD-järjestelmä ylläpitää objektin komponenttien välisiä suhteita niin, että muutokset voidaan siirtää seuraaviin konstruktioihin.

yhteiset muodot konstruoidaan piirteiksi (esim., slots, holes, pockets), joka voidaan sitten sisällyttää kiinteä malli objektin. Ominaisuusesitys auttaa käyttäjää määrittelemään osia. Se myös yksinkertaistaa CAD-ohjelmistosuunnittelua, koska ominaisuuksia on helpompi parametrisoida kuin eksplisiittisiä vuorovaikutuksia. Ominaisuuksista rakennettuja esineitä kutsutaan osiksi. Koska suunniteltu tuote koostuu useista osista, monet CAD-järjestelmät sisältävät hyödyllisen kokoonpanomallin, jossa osat on viitattu ja niiden geometriset ja toiminnalliset suhteet on tallennettu.

CAD-malleja voidaan manipuloida ja tarkastella hyvin erilaisissa yhteyksissä. Niitä voidaan tarkastella mistä tahansa kulmasta ja näkökulmasta haluttu, rikki tai viipaloitu, ja jopa läpi simulaatiotestit analysoida vahvuuksia ja vikoja suunnittelun. Osia voidaan siirtää koordinaattijärjestelmiensä sisällä rotaatio-operaatioilla, jotka tarjoavat osan eri näkökulmia, ja kääntämisellä, jonka avulla osa voi siirtyä eri paikkoihin katseluavaruudessa. Lisäksi CAD-järjestelmät tarjoavat arvokkaita mitoitustoimintoja, joissa kokoarvot määräytyvät suunnittelijan piirustusten perusteella.

näiden kuvien liike on eräänlaista animaatiota. Usein CAD-järjestelmiin kuuluu virtuaalitodellisuusteknologiaa, joka tuottaa animoituja kuvia, jotka simuloivat tosielämän vuorovaikutusta suunnitellun kohteen kanssa. Esimerkiksi, jos kohde on rakennus, virtuaalitodellisuusjärjestelmä voi mahdollistaa näkymän visualisoinnin ikään kuin kävelisit rakennuksen sisä-ja ulkopuolella, jolloin voit tarkastella rakennusta dynaamisesti monista eri näkökulmista. Realististen efektien tuottamiseksi järjestelmän on kuvattava pinnalle heijastuvan valon odotetut vaikutukset sen liikkuessa käyttäjän katselutilan läpi. Tätä prosessia kutsutaan renderöinniksi.

Renderöintitekniikkaan kuuluvat varjostus -, heijastus-ja säteenjäljitystekniikat. Tämä tekniikka, jota käytetään myös kehittyneissä videopeleissä, antaa realistisen kuvan kohteesta ja auttaa usein käyttäjiä tekemään päätöksiä ennen rahan sijoittamista talonrakentamiseen. Jotkut virtuaalitodellisuuden rajapinnat sisältävät muutakin kuin visuaalisia ärsykkeitä. Itse asiassa ne mahdollistavat suunnittelijan täydellisen upottamisen virtuaaliseen ympäristöön, kokien kinesteettisen vuorovaikutuksen suunnitellun laitteen kanssa.

jotkin CAD-järjestelmät eivät auta osien suunnittelussa, vaan sisältävät Itse asiassa toiminnallisuuden tuotteen testaamiseksi ympäristön kuormitusta vastaan. Käyttämällä tekniikkaa kutsutaan finite element method (FEM), nämä järjestelmät määrittää stressiä, muodonmuutos, lämmönsiirto, magneettikentän jakautuminen, nesteen virtaus, ja muut jatkuvat kentän ongelmia.

äärellinen elementtianalyysi ei koske kaikkia suunnittelun yksityiskohtia, joten täydellisen kiinteän mallin sijasta käytetään verkkoa. Mesh sukupolven liittyy computing joukko yksinkertaisia elementtejä antaa hyvän lähentämisestä suunniteltu osa. Hyvän silmukoinnin tuloksena on oltava analyyttinen malli, joka on riittävän tarkka FEM-laskentaa varten, mutta jossa on vähimmäismäärä elementtejä tarpeettoman monimutkaisuuden välttämiseksi.

Fem: N lisäksi eräät CAD-järjestelmät tarjoavat erilaisia optimointitekniikoita, kuten simuloitua hehkutusta ja geneettisiä algoritmeja (lainattu tekoälyn alalta). Nämä menetelmät auttavat parantamaan muoto, paksuus, ja muut parametrit suunnitellun kohteen samalla täyttää käyttäjän määrittämät rajoitukset (esim.sallitut stressitasot tai kustannusrajoitukset).

kun suunnittelija käyttää CAD: tä tuotesuunnittelun kehittämiseen, nämä tiedot tallennetaan CAD-tietokantaan. CAD-järjestelmät mahdollistavat suunnitteluprosessin, jossa objektit koostuvat aliesineistä, jotka koostuvat pienemmistä komponenteista ja niin edelleen. Siksi CAD-tietokannat ovat yleensä oliokeskeisiä. Koska CAD-malleja voidaan joutua käyttämään CAM-järjestelmissä tai jakamaan muiden CAD-suunnittelijoiden kanssa käyttäen erilaisia ohjelmistopaketteja, useimmat CAD-paketit varmistavat, että niiden tietokannat ovat jonkin CAD-standardin mukaisten tietomuotojen mukaisia. Yksi tällainen American National Standards Instituten (ANSI) kehittämä standardi on nimeltään Initial Graphics Exchange Specification (IGES).

toinen tietomuoto on suositun AutoCAD-ohjelmiston käyttämä dxf, josta on tulossa de facto alan standardi. Kykyä muuntaa tiedostomuodosta toiseen kutsutaan tiedonvaihdoksi, ja se on yleinen ominaisuus monissa CAD-ohjelmistopaketeissa.

nykyaikaiset CAD-järjestelmät tarjoavat useita etuja suunnittelijoille ja yrityksille. Niiden avulla käyttäjät voivat esimerkiksi säästää aikaa, rahaa ja muita resursseja tuottamalla automaattisesti mallin vakiokomponentteja, mahdollistamalla aiemmin suunniteltujen komponenttien uudelleenkäytön ja helpottamalla suunnittelun muuttamista. Tällaiset järjestelmät mahdollistavat myös mallien todentamisen eritelmiin nähden, mallien simuloinnin ja testaamisen sekä mallien ja teknisten asiakirjojen toimittamisen suoraan valmistuslaitoksiin. Vaikka jotkut suunnittelijat valittavat, että CAD-järjestelmien rajoitukset joskus hillitsevät heidän luovuuttaan, ei ole epäilystäkään siitä, että niistä on tullut välttämätön työkalu sähkö -, mekaaninen-ja arkkitehtisuunnittelussa.

CAM SYSTEMS

valmistusprosessi sisältää prosessisuunnittelun, tuotannon suunnittelun (sisältäen työkalujen hankinnan, materiaalien tilaamisen ja numeerisen ohjauksen ohjelmoinnin), tuotannon, laadunvalvonnan, pakkaamisen, markkinoinnin ja kuljetuksen. CAM-järjestelmät avustavat kaikissa paitsi tämän prosessin kahdessa viimeisessä vaiheessa. CAM-järjestelmissä tietokone kytkeytyy suoraan tai välillisesti tehtaan tuotantoresursseihin.

prosessisuunnittelu on valmistustoiminto, jossa määritellään, mitä prosesseja ja parametreja on käytettävä, sekä näitä prosesseja suorittavat koneet. Tämä edellyttää usein yksityiskohtaisten työohjeiden laatimista koneille osien kokoamista tai valmistamista varten. Tietokoneavusteinen prosessisuunnittelu (CAPP) auttaa automatisoimaan suunnitteluprosessia kehittämällä tuotettavan osan perheluokituksen perusteella tämän osan tuottamiseen tarvittavan toimintajakson (jota kutsutaan joskus reititykseksi) sekä tekstikuvaukset sarjan jokaisessa vaiheessa tehtävästä työstä. Joskus nämä prosessisuunnitelmat on rakennettu CAD-tietokantojen tietojen pohjalta.

prosessisuunnittelu on vaikea aikatauluongelma. Monimutkainen valmistusmenettely, siellä voisi olla valtava määrä mahdollisia permutaatioita tehtäviä prosessissa, joka vaatii käyttää kehittyneitä optimointimenetelmiä saada paras prosessi suunnitelma. Tämän ongelman ratkaisemiseen käytetään usein tekniikoita, kuten geneettisiä algoritmeja ja heuristista hakua (joka perustuu tekoälyyn).

yleisin CAM-sovellus on numeerinen ohjaus (NC), jossa ohjelmoidut ohjeet ohjaavat työstökoneita, jotka jauhavat, leikkaavat, mylläävät, punssaavat tai taivuttavat raakalangasta valmiiksi tuotteiksi. Usein CAD-tietokannan NC-syötteet sekä työstökoneen käyttäjän antamat lisätiedot. Tyypillinen NC-työstökone sisältää koneohjausyksikön (MCU) ja itse työstökoneen. MCU sisältää tietojenkäsittelyyksikön (data processing unit, DPU), joka lukee ja purkaa ohjeita osaohjelmasta, ja ohjauspiiriyksikön (control loop unit, Clu), joka muuntaa ohjeet ohjaussignaaleiksi ja käyttää työstökoneen käyttömekanismeja.

osaohjelma on joukko lausekkeita, jotka sisältävät geometrista tietoa osasta ja liiketietoa siitä, miten leikkurin tulisi liikkua suhteessa työkappaleeseen. Leikkuunopeus, syöttönopeus ja muut tiedot on myös määritetty täyttämään vaaditut osan toleranssit. Osaohjelmointi on itsessään kokonainen tekninen tieteenala, joka vaatii hienostunutta ohjelmointikieltä ja koordinaattijärjestelmän referenssipisteitä. Joskus osaohjelmia voidaan luoda automaattisesti CAD-tietokannoista, joissa CAD-mallin geometriset ja toiminnalliset eritelmät kääntyvät automaattisesti osaohjelman ohjeisiin.

numeeriset ohjausjärjestelmät ovat kehittymässä kehittyneemmäksi teknologiaksi, jota kutsutaan nopeaksi prototyyppien valmistamiseksi ja valmistamiseksi (RP&M). Tämä tekniikka sisältää kolme vaihetta: muodostaa poikkileikkaukset esineitä valmistetaan, munivat poikkileikkaukset kerros kerrokselta, ja yhdistämällä kerrokset. Tämä on työkaluton lähestymistapa valmistukseen, jonka mahdollistaa kiinteän mallinnuksen CAD-järjestelmien saatavuus. RP&M käytetään usein mallien arviointiin, toiminnallisten eritelmien tarkistamiseen ja käänteistekniikkaan.

koneenohjausjärjestelmiä käytetään usein yhdessä robotiikkateknologian kanssa hyödyntäen tekoälyä ja tietokoneohjattuja humanoidien fyysisiä ominaisuuksia (esim.näppäryyttä, liikettä ja näköä). Nämä ”teräskaulustyöntekijät” lisäävät tuottavuutta ja vähentävät kustannuksia korvaamalla ihmistyöntekijöitä toistuvissa, arkisissa ja vaarallisissa ympäristöissä.

CAM-järjestelmissä on usein komponentteja laadunvalvontatoiminnon automatisointiin. Tämä edellyttää tuote-ja prosessimääritysten arviointia, saapuvien materiaalien ja lähtevien tuotteiden testaamista sekä käynnissä olevan tuotantoprosessin testaamista. Laadunvalvontajärjestelmät mittaavat usein liukuhihnalta tulevia tuotteita varmistaakseen, että ne täyttävät CAD-tietokannoissa vahvistetut toleranssimääritykset. Ne tuottavat poikkeusraportteja liukuhihnapäälliköille, kun tuotteet eivät täytä vaatimuksia.

yhteenvetona voidaan todeta, että CAM-järjestelmät lisäävät tuotannon tehokkuutta yksinkertaistamalla ja automatisoimalla tuotantoprosesseja, parantavat tuotantolaitosten käyttöä, vähentävät investointeja tuotanto-varastoihin ja parantavat lopulta asiakaspalvelua vähentämällä merkittävästi varastojen ulkopuolisia tilanteita.

PUTTING IT ALL TOGETHER: COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING

Cadcam-järjestelmässä osa suunnitellaan tietokoneella (CAD: n kautta), jonka jälkeen se lähetetään suoraan tietokonekäyttöisille työstökoneille, jotka valmistavat osan CAM: n kautta. Tässä prosessissa on monia muita tietokoneistettuja vaiheita matkan varrella. Suunnittelun, materiaalinkäsittelyn, valmistuksen ja pakkaamisen kokonaisuutta kutsutaan usein tietokoneintegroiduksi valmistukseksi (computer-integrated manufacturing, CIM).

CIM sisältää kaikki CAD: n ja CAM: n näkökohdat sekä varastonhallinnan. Kustannusten hillitsemiseksi yrityksillä on vahva motivaatio minimoida varastomäärät varastoissaan. Just-in-time (JIT) inventaariokäytännöistä on tulossa normi. Tämän helpottamiseksi CIM sisältää materiaalivaatimusten suunnittelun (material requirements planning, MRP) osana kokonaiskokoonpanoaan. MRP-järjestelmät auttavat suunnittelemaan valmistusprosessissa tarvittavien materiaalien tyyppejä ja määriä. MRP: n sulautumista CAM: n tuotannon aikataulutukseen ja myymäläkerroksen hallintaan kutsutaan nimellä manufacturing resource planning (MRPII). Näin ollen MRP: n sulautuminen CADCAM-järjestelmiin integroi organisaation tuotannon ja varaston valvontatoiminnot.

nykyiset teollisuudenalat eivät voi selviytyä, elleivät ne pysty tuomaan markkinoille uusia tuotteita, joiden laatu on korkea, kustannukset alhaiset ja läpimenoaika lyhyt. CADCAM-järjestelmät soveltavat tietotekniikkaa näiden vaatimusten toteuttamiseksi ja lupaavat vaikuttaa merkittävästi suunnitteluun, suunnitteluun ja valmistusprosesseihin lähitulevaisuudessa.