számítógéppel segített tervezés és gyártás

a számítógéppel segített tervezés (CAD), Más néven számítógépes tervezés és rajzolás (CADD), magában foglalja a rajz teljes spektrumát számítógép segítségével-az egyenes vonalaktól az egyedi animációig. A gyakorlatban a CAD a mérnöki és építészeti megoldások tervezésére szolgáló szoftverekre utal, két – és háromdimenziós modellezési képességekkel kiegészítve.

a számítógéppel segített gyártás (Cam) magában foglalja a számítógépek használatát bármilyen gyártási folyamatban, beleértve a rugalmas gyártást és a robotikát is. A CAD rendszerek kimenetei gyakran a CAM rendszerek bemeneteként szolgálnak. Amikor ez a két rendszer együtt működik, az eredményt CADCAM-nak hívják, és a cég számítógépes integrált gyártási (CIM) folyamatának részévé válik.

a CADCAM rendszerek célja, hogy segítsenek egy tipikus termék életciklusának számos, ha nem mindegyik lépésében. A termék életciklusa egy tervezési és egy megvalósítási szakaszból áll. A tervezési szakasz magában foglalja a tervezési igények és specifikációk azonosítását; megvalósíthatósági tanulmány, tervdokumentáció, értékelés, elemzés és optimalizálás elvégzése; és maga a tervezés befejezése. A megvalósítási szakasz magában foglalja a folyamattervezést, a gyártástervezést, a minőségellenőrzést, a csomagolást, a marketinget és a szállítást.

a CAD rendszerek segíthetnek a legtöbb tervezési fázisban, míg a CAM rendszerek segíthetnek a legtöbb végrehajtási folyamatban. A CAD és CAM rendszerek hozzájárulásait az alábbiakban ismertetjük.

CAD rendszerek

a CAD rendszerek a grafikus szoftverek speciális formái, ezért be kell tartaniuk a grafikus programozás alapelveit. Minden grafikus program egy grafikus eszköz kontextusában működik (például egy ablak a monitoron, a nyomtató, vagy plotter). A grafikus képeket egy 2-D vagy 3-D koordinátarendszerhez viszonyítva rajzoljuk, amelynek több típusa van.

az eszköz koordináta-rendszere 2-D, és a képeket közvetlenül a hardvereszköz pontjaira (pixeleire) térképezi fel. Az eszközfüggetlen grafika megkönnyítése érdekében egy virtuális eszköz koordináta-rendszer kivonja a 2-D pontokat egy logikai keretbe.

természetesen a tervezett eszközök általában 3D-s objektumok, amelyekhez szintén szükség van egy világkoordináta-rendszerre annak a térnek az ábrázolására, amelyben az objektumok tartózkodnak, és egy modellkoordináta-rendszerre az adott térben lévő objektumok ábrázolására. A CAD szoftver algoritmusokat tartalmaz a 3D modellek kivetítésére a 2D eszköz koordináta-rendszereire és fordítva.

a CAD rendszerek számos primitív rajzfunkciót tartalmaznak, beleértve a vonalakat, sokszögeket, köröket és íveket, téglalapokat és más egyszerű alakzatokat. Ezekből a primitívekből 3D-s kompozitok építhetők, amelyek kockákat, piramisokat, kúpokat, ékeket, hengereket és gömböket tartalmaznak. Ezek az alakzatok bármilyen színben rajzolhatók, és Egyszínű színekkel vagy más mintákkal tölthetők (úgynevezett keltetés). Ezenkívül az alapvető alakzatok megváltoztathatók filézéssel (kerekítéssel) vagy letöréssel (vonalszegmentálással).

az alapformák manipulálása alapján a tervezők objektummodelleket készítenek. A csontváz huzalforma modell egy 3D-s ábrázolás, amely minden élét és jellemzőjét vonalakként mutatja. A reálisabb kinézetű modellt szilárd modellnek nevezzük, amely az objektum 3D-s modellje, amelyet egységes egészként terveztek, rejtett tulajdonságok nélkül. A szilárd modell zárt térfogatot képvisel. Tartalmaz felületi információkat és adatokat, amelyek meghatározzák, hogy a zárt kötet tartalmaz-e más objektumokat vagy jellemzőket.

a szilárd modellezés magában foglalja a 3D-s alakzatok létrehozásának funkcióit, az alakzatok kombinálását (egyesülés, metszéspont és különbség műveletek révén), a söpörést (transzlációs és rotációs) az egyszerű alakzatok összetettebbé történő átalakításához, a nyúzást (felületi textúrák létrehozásához) és a különböző határkészítési funkciókat. A szilárd modellezés magában foglalja a paraméterezést is, amelyben a CAD rendszer kapcsolatokat tart fenn az objektum komponensei között, így a változások a következő konstrukciókba terjeszthetők.

a közös alakzatokat jellemzőkké alakítják (pl., nyílások, lyukak, zsebek), amelyeket ezután be lehet építeni egy tárgy szilárd modelljébe. A funkcióábrázolás segít a felhasználónak meghatározni az alkatrészeket. Egyszerűsíti a CAD szoftver tervezését is, mivel a funkciókat könnyebb paraméterezni, mint az explicit interakciókat. A funkciókból épített objektumokat alkatrészeknek nevezzük. Mivel a tervezett termék több részből áll, sok CAD rendszer tartalmaz egy hasznos összeszerelési modellt, amelyben az alkatrészekre hivatkoznak, és azok geometriai és funkcionális kapcsolatait tárolják.

a CAD modellek sokféle környezetben kezelhetők és megtekinthetők. Bármilyen szögből és perspektívából megtekinthetők, szétszedhetők vagy szeletelhetők, sőt szimulációs teszteken is áteshetnek, hogy elemezzék a tervezés erősségeit és hibáit. Az alkatrészek a koordinátarendszerükön belül mozgathatók forgási műveletekkel, amelyek különböző perspektívákat biztosítanak az alkatrésznek, valamint fordítással, amely lehetővé teszi, hogy az alkatrész a nézettér különböző helyeire mozogjon. Ezenkívül a CAD rendszerek értékes méretezési funkciókat biztosítanak, amelyek a tervező rajza alapján méretértékeket rendelnek hozzá.

ezeknek a képeknek a mozgása az animáció egyik formája. A CAD rendszerek gyakran tartalmaznak virtuális valóság technológiát, amely animált képeket állít elő, amelyek szimulálják a valós interakciót a tervezett objektummal. Például, ha az objektum egy épület, a virtuális valóság rendszer lehetővé teszi, hogy vizualizálja a jelenetet, mintha sétálgatna az épület belsejében és kívül, lehetővé téve, hogy dinamikusan megtekinthesse az épületet számos szempontból. A valósághű hatások elérése érdekében a rendszernek ábrázolnia kell a felületre visszaverődő fény várható hatásait, miközben a felhasználó látótérében mozog. Ezt a folyamatot renderelésnek nevezik.

a renderelési technológia magában foglalja az árnyékolás, visszaverődés és sugárkövetés lehetőségeit. Ez a technika, amelyet kifinomult videojátékokban is használnak, reális képet nyújt az objektumról, és gyakran segíti a felhasználókat a döntések meghozatalában, mielőtt pénzt fektetnének az épületépítésbe. Egyes virtuális valóság interfészek nem csupán vizuális ingereket tartalmaznak. Valójában lehetővé teszik a tervező számára, hogy teljesen elmerüljön a virtuális környezetben, kinesztetikus kölcsönhatást tapasztalva a tervezett eszközzel.

néhány CAD rendszer túlmutat az alkatrészek tervezésében nyújtott segítségen, és valójában olyan funkciókat is tartalmaz, amelyek a terméket a környezeti stressz ellen tesztelik. A végeselem-módszernek (fem) nevezett technikával ezek a rendszerek meghatározzák a stresszt, a deformációt, a hőátadást, a mágneses mező eloszlását, a folyadékáramlást és más folyamatos mezőproblémákat.

a végeselem-elemzés nem minden tervezési részletre vonatkozik, ezért a teljes szilárd modell helyett hálót használnak. A hálós generáció magában foglalja az egyszerű elemek halmazának kiszámítását, amely jó közelítést ad a tervezett részhez. A jó hálónak elegendő pontosságú analitikai modellt kell eredményeznie a FEM számításhoz, de minimális számú elemmel a felesleges bonyolultság elkerülése érdekében.

a FEM mellett néhány CAD rendszer számos optimalizálási technikát kínál, beleértve a szimulált lágyítást és a genetikai algoritmusokat (amelyeket a mesterséges intelligencia területéről kölcsönöztek). Ezek a módszerek segítenek javítani a tervezett objektum alakját, vastagságát és egyéb paramétereit, miközben kielégítik a felhasználó által meghatározott korlátozásokat (pl. megengedett stresszszintek vagy költségkorlátozások).

amikor egy tervező CAD-t használ egy termékterv kidolgozásához, ezeket az adatokat egy CAD-adatbázis tárolja. A CAD rendszerek olyan tervezési folyamatot tesznek lehetővé, amelyben az objektumok alobjektumokból állnak, amelyek kisebb összetevőkből állnak stb. Így a CAD adatbázisok általában objektumorientáltak. Mivel előfordulhat, hogy a CAD-terveket CAM rendszerekben kell használni, vagy különféle szoftvercsomagok segítségével meg kell osztani más CAD-tervezőkkel, a legtöbb CAD-csomag biztosítja, hogy adatbázisaik megfeleljenek az egyik szabványos CAD-adatformátumnak. Az egyik ilyen szabvány, amelyet az American National Standards Institute (ANSI) fejlesztett ki, az Initial Graphics Exchange Specification (IGES).

egy másik adatformátum a DXF, amelyet a népszerű AutoCAD szoftver használ, és de facto ipari szabványsá válik. Az egyik fájlformátumról a másikra történő konvertálás képességét adatcserének nevezik, és sok CAD szoftvercsomag közös jellemzője.

a Modern CAD rendszerek számos előnyt kínálnak a tervezők és a vállalatok számára. Például lehetővé teszik a felhasználók számára, hogy időt, pénzt és egyéb erőforrásokat takarítsanak meg azáltal, hogy automatikusan generálják a terv szabványos összetevőit, lehetővé teszik a korábban tervezett alkatrészek újrafelhasználását és megkönnyítik a terv módosítását. Ezek a rendszerek biztosítják továbbá a tervek SPECIFIKÁCIÓK szerinti ellenőrzését, a tervek szimulációját és tesztelését, valamint a tervek és a műszaki dokumentáció közvetlenül a gyártólétesítményekhez történő kiadását. Míg egyes tervezők panaszkodnak, hogy a CAD rendszerek korlátai néha korlátozzák kreativitásukat, kétségtelen, hogy nélkülözhetetlen eszközzé váltak az elektromos, mechanikai és építészeti tervezésben.

CAM rendszerek

a gyártási folyamat magában foglalja a folyamattervezést, a gyártástervezést (szerszámbeszerzés, anyagrendelés és numerikus vezérlésű programozás), a gyártást, a minőségellenőrzést, a csomagolást, a marketinget és a szállítást. A CAM rendszerek segítik a folyamat utolsó két lépését kivéve. A CAM rendszerekben a számítógép közvetlenül vagy közvetve kapcsolódik az üzem termelési erőforrásaihoz.

a folyamattervezés olyan gyártási funkció, amely meghatározza, hogy mely folyamatokat és paramétereket kell használni, valamint az ezeket a folyamatokat végrehajtó gépeket. Ez gyakran magában foglalja az alkatrészek összeszerelésére vagy gyártására szolgáló gépek részletes munkalehetőségeinek elkészítését. A számítógéppel segített folyamattervezés (CAPP) rendszerek segítenek a tervezési folyamat automatizálásában azáltal, hogy az előállított alkatrész családi osztályozása alapján kidolgozzák az alkatrész előállításához szükséges műveletek sorozatát (néha útválasztásnak hívják), a sorozat minden lépésénél elvégzendő munka szöveges leírásával együtt. Néha ezek a folyamattervek a CAD adatbázisokból származó adatok alapján készülnek.

a folyamattervezés nehéz ütemezési probléma. Egy komplex gyártási eljáráshoz hatalmas számú lehetséges permutáció lehet a feladatokban egy olyan folyamatban, amely kifinomult optimalizálási módszereket igényel a legjobb folyamatterv megszerzéséhez. A probléma megoldására gyakran alkalmaznak olyan technikákat, mint a genetikai algoritmusok és a mesterséges intelligencián alapuló heurisztikus keresés.

a leggyakoribb CAM alkalmazás a numerikus vezérlés (NC), amelyben a programozott utasítások vezérlik azokat a szerszámgépeket, amelyek a nyers alapanyagot késztermékekké őrlik, vágják, őrlik, lyukasztják vagy hajlítják. Gyakran az NC bemenetek SPECIFIKÁCIÓK egy CAD adatbázis, valamint további információkat a szerszámgép kezelő. Egy tipikus NC szerszámgép magában foglalja a gépvezérlő egységet (MCU) és magát a szerszámgépet. Az MCU tartalmaz egy adatfeldolgozó egységet (DPU), amely egy alkatrészprogram utasításait olvassa és dekódolja, valamint egy vezérlőhurok egységet (Clu), amely az utasításokat vezérlőjelekké alakítja, és működteti a szerszámgép hajtómechanizmusait.

az alkatrészprogram olyan utasítások halmaza, amelyek geometriai információkat tartalmaznak az alkatrészről, valamint mozgási információkat arról, hogy a forgácsolószerszámnak hogyan kell mozognia a munkadarabhoz képest. A vágási sebesség, az előtolási sebesség és egyéb információk szintén meg vannak adva, hogy megfeleljenek a szükséges alkatrész-tűréseknek. A részprogramozás önmagában egy teljes műszaki tudományág, amely kifinomult programozási nyelvet és koordináta-rendszer referenciapontokat igényel. Néha az alkatrészprogramok automatikusan generálhatók CAD adatbázisokból, ahol a CAD tervezés geometriai és funkcionális specifikációi automatikusan lefordulnak az alkatrészprogram utasításaiba.

a numerikus vezérlőrendszerek egy kifinomultabb technológiává fejlődnek, amelyet gyors prototípus-készítésnek és gyártásnak neveznek (RP& M). Ez a technológia három lépésből áll: a gyártandó tárgyak keresztmetszetének kialakítása, a keresztmetszetek rétegenként történő lefektetése és a rétegek kombinálása. Ez egy szerszám nélküli megközelítés a gyártáshoz, amelyet a szilárd modellező CAD rendszerek elérhetősége tesz lehetővé. Az RP& M – et gyakran használják a tervek értékelésére, a funkcionális SPECIFIKÁCIÓK ellenőrzésére és a visszafejtésre.

természetesen a gépi vezérlőrendszereket gyakran használják a robotikai technológiával együtt, a mesterséges intelligencia és a számítógép által vezérelt humanoid fizikai képességek (pl. ügyesség, mozgás és látás) felhasználásával. Ezek az “acélgalléros munkások” növelik a termelékenységet és csökkentik a költségeket azáltal, hogy helyettesítik az emberi munkavállalókat ismétlődő, hétköznapi és veszélyes környezetben.

a CAM rendszerek gyakran tartalmaznak alkatrészeket a minőség-ellenőrzési funkció automatizálásához. Ez magában foglalja a termék-és folyamatspecifikációk értékelését, a bejövő anyagok és a kimenő termékek tesztelését, valamint a folyamatban lévő gyártási folyamat tesztelését. A minőségellenőrzési rendszerek gyakran mérik a futószalagról érkező termékeket annak biztosítása érdekében, hogy megfeleljenek a CAD adatbázisokban megállapított tűréshatároknak. Kivételjelentéseket készítenek a futószalag-vezetők számára, ha a termékek nem felelnek meg az előírásoknak.

összefoglalva, a CAM rendszerek növelik a gyártási hatékonyságot a gyártási folyamatok egyszerűsítésével és automatizálásával, javítják a termelési létesítmények kihasználását, csökkentik a termelési készletekbe történő beruházásokat, és végső soron javítják az ügyfélszolgálatot a készleten kívüli helyzetek drasztikus csökkentésével.

MINDENT ÖSSZERAKVA: COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING

egy CADCAM rendszerben egy alkatrészt a számítógépen (CAD-en keresztül) terveznek, majd közvetlenül továbbítják a számítógép által vezérelt szerszámgépekhez, amelyek CAM-en keresztül gyártják az alkatrészt. Ezen a folyamaton belül sok más számítógépes lépés lesz az út mentén. A tervezés, az anyagmozgatás, a gyártás és a csomagolás teljes területét gyakran számítógépes integrált gyártásnak (cim) nevezik.

a CIM magában foglalja a CAD és a CAM minden aspektusát, valamint a készletgazdálkodást. A költségek csökkentése érdekében a vállalatoknak erős motivációjuk van arra, hogy minimalizálják raktáraik készletmennyiségét. A Just-In-time (JIT) készletszabályok normává válnak. Ennek megkönnyítése érdekében a CIM átfogó konfigurációjának részeként magában foglalja az anyagigény-tervezést (MRP). Az MRP rendszerek segítenek megtervezni a gyártási folyamathoz szükséges anyagok típusát és mennyiségét. Az MRP egyesülését a CAM gyártási ütemezésével és a műhely vezérlésével manufacturing resource planning (MRPII) néven hívják. Így az MRP és a CADCAM rendszerek egyesülése integrálja a szervezet termelési és készletellenőrzési funkcióit.

a mai iparágak nem tudnak túlélni, hacsak nem tudnak új termékeket bevezetni kiváló minőségű, alacsony költségű és rövid átfutási idővel. A CADCAM rendszerek számítástechnikát alkalmaznak, hogy ezeket a követelményeket valósággá tegyék, és ígéretet tesznek arra, hogy a belátható jövőben jelentős befolyást gyakorolnak a tervezési, mérnöki és gyártási folyamatokra.