COMPUTER-AIDED DESIGN AND MANUFACTURING

Computer-aided design (CAD), ook bekend als computer-Aided design and drawing (CADD), omvat het hele spectrum van tekenen met behulp van een computer—van rechte lijnen naar aangepaste animatie. In de praktijk verwijst CAD naar software voor het ontwerpen van technische en architectonische oplossingen, compleet met twee – en driedimensionale modellering mogelijkheden.

Computer-aided manufacturing (CAM) omvat het gebruik van computers als hulpmiddel bij elk productieproces, inclusief flexibele fabricage en robotica. Vaak dienen uitgangen van CAD-systemen als ingangen voor CAM-systemen. Wanneer deze twee systemen samen werken, wordt het resultaat CADCAM genoemd en wordt het onderdeel van het computer-integrated manufacturing (CIM) – proces van een bedrijf. CADCAM-systemen zijn bedoeld om in vele, zo niet alle, stappen van een typische levenscyclus van een product te helpen. De levenscyclus van het product omvat een ontwerpfase en een implementatiefase. De ontwerpfase omvat het identificeren van de ontwerpbehoeften en specificaties; het uitvoeren van een haalbaarheidsstudie, ontwerpdocumentatie, evaluatie, analyse en optimalisatie; en het voltooien van het ontwerp zelf. De implementatiefase omvat procesplanning, productieplanning, kwaliteitscontrole, verpakking, marketing en verzending.

CAD-systemen kunnen helpen bij de meeste ontwerpprocessen, terwijl CAM-systemen kunnen helpen bij de meeste implementatieprocessen. De bijdragen van CAD-en CAM-systemen worden hieronder beschreven.

CAD-systemen

CAD-systemen zijn een gespecialiseerde vorm van grafische software, en moeten daarom voldoen aan de basisprincipes van grafische programmering. Alle grafische programma ‘ s werken in de context van een grafisch apparaat (bijvoorbeeld een venster op een monitor, een printer of een plotter). Grafische afbeeldingen worden getekend in relatie tot een 2-D of 3-D coördinatenstelsel, waarvan er verschillende types zijn.

een apparaat coördinatensysteem is 2-D en geeft afbeeldingen rechtstreeks aan de punten (pixels) van het hardware-apparaat. Om apparaatonafhankelijke graphics mogelijk te maken, abstraheert een virtueel apparaatcoördinatiesysteem de 2D-punten in een logisch kader.

natuurlijk zijn de apparaten die worden ontworpen over het algemeen 3-D objecten, die ook een wereldcoördinatenstelsel nodig hebben om de ruimte waarin de objecten zich bevinden weer te geven, en een modelcoördinatenstelsel om elk van de objecten in die ruimte weer te geven. CAD-software bevat algoritmen voor het projecteren van de 3-D-modellen op de 2-D-coördinatenstelsels en vice versa.

CAD-systemen omvatten verschillende primitieve tekenfuncties, waaronder lijnen, veelhoeken, cirkels en bogen, rechthoeken en andere eenvoudige vormen. Uit deze primitieven kunnen 3-D composieten worden geconstrueerd en omvatten kubussen, piramides, kegels, wiggen, cilinders en bollen. Deze vormen kunnen worden getekend in elke kleur, en gevuld met effen kleuren of andere patronen (genaamd arcering). Bovendien kunnen basisvormen worden gewijzigd door fileren (afronden) of afschuining (lijnsegmentatie). Op basis van de manipulatie van basisvormen construeren ontwerpers modellen van objecten. Een skelet draad vorm model is een 3-D weergave die alle randen en functies als lijnen toont. Een realistischer uitziend model wordt een solid model genoemd, een 3-D model van het object dat wordt ontworpen als een unitair geheel zonder verborgen kenmerken. Het solid model vertegenwoordigt een gesloten volume. Het bevat oppervlakte-informatie en gegevens die bepalen of het gesloten volume andere objecten of functies bevat.

Solid modeling omvat functies voor het creëren van 3D-vormen, het combineren van vormen (via union -, snij-en verschilbewerkingen), vegen (translationeel en rotatie) voor het omzetten van eenvoudige vormen in complexere vormen, villen (voor het creëren van oppervlaktetexturen) en verschillende grenscreatiefuncties. Solid modellering omvat ook parametrering, waarbij het CAD-systeem een reeks relaties onderhoudt tussen de componenten van een object, zodat veranderingen kunnen worden gepropageerd naar volgende constructies.

gemeenschappelijke vormen worden geconstrueerd in kenmerken (bijv., sleuven, gaten, zakken), die vervolgens kunnen worden opgenomen in een solide model van een object. Feature representation helpt de gebruiker om onderdelen te definiëren. Het vereenvoudigt ook CAD-softwareontwerp omdat functies gemakkelijker te parametreren zijn dan expliciete interacties. Objecten gebouwd van functies worden onderdelen genoemd. Omdat een product dat wordt ontworpen uit verschillende onderdelen bestaat, bevatten veel CAD-systemen een nuttig Montagemodel, waarin de onderdelen worden verwezen en hun geometrische en functionele relaties worden opgeslagen.

CAD-modellen kunnen in een breed scala van contexten worden gemanipuleerd en bekeken. Ze kunnen worden bekeken vanuit elke gewenste hoek en perspectief, gebroken of gesneden, en zelfs door middel van simulatietests om te analyseren voor sterke punten en defecten van het ontwerp. Delen kunnen binnen hun coördinatenstelsels worden verplaatst via rotatiebewerkingen, die verschillende perspectieven van een deel bieden, en vertaling, waardoor het deel naar verschillende locaties in de weergaveruimte kan worden verplaatst. Daarnaast bieden CAD-systemen waardevolle dimensioneringsfunctionaliteit, die groottewaarden toewijst op basis van de tekening van de ontwerper.

de beweging van deze beelden is een vorm van animatie. CAD-systemen bevatten vaak virtual reality-technologie, die geanimeerde beelden produceert die een interactie in de echte wereld simuleren met het object dat wordt ontworpen. Bijvoorbeeld, als het object een gebouw is, kan het virtual reality-systeem je in staat stellen om de scène te visualiseren alsof je rondloopt aan de binnenkant en de buitenkant van het gebouw, waardoor je het gebouw dynamisch kunt bekijken vanuit een veelheid van perspectieven. Om realistische effecten te produceren, moet het systeem de verwachte effecten weergeven van licht dat reflecteert op het oppervlak terwijl het door de kijkruimte van de gebruiker beweegt. Dit proces wordt rendering genoemd.

Renderingstechnologie omvat faciliteiten voor arcering, reflectie en Ray tracing. Deze techniek, die ook wordt gebruikt in geavanceerde videogames, biedt een realistisch beeld van het object en helpt gebruikers vaak beslissingen te nemen voordat ze geld investeren in de bouw. Sommige virtual reality-interfaces omvatten meer dan alleen visuele prikkels. In feite, ze kunnen de ontwerper volledig worden ondergedompeld in de virtuele omgeving, het ervaren van kinesthetische interactie met het ontworpen apparaat.

sommige CAD-systemen gaan verder dan het ondersteunen van het ontwerp van onderdelen en bevatten in feite functionaliteit voor het testen van een product tegen belasting in de omgeving. Met behulp van een techniek genaamd eindige-elementenmethode (FEM), bepalen deze systemen stress, vervorming, warmteoverdracht, magnetische veldverdeling, vloeistofstroom en andere continue veldproblemen.

de eindige-elementenanalyse heeft niet betrekking op alle ontwerpdetails, dus in plaats van het volledige vaste model wordt een mesh gebruikt. Mesh generatie omvat het berekenen van een set van eenvoudige elementen geven een goede benadering van het ontworpen onderdeel. Een goede meshing moet resulteren in een analytisch model met voldoende precisie voor de FEM-berekening, maar met een minimum aan elementen om onnodige complexiteit te voorkomen.

naast FEM bieden sommige CAD-systemen een verscheidenheid aan optimalisatietechnieken, waaronder gesimuleerde gloeiing en genetische algoritmen (ontleend aan het gebied van kunstmatige intelligentie). Deze methoden helpen om de vorm, dikte en andere parameters van een ontworpen object te verbeteren, terwijl wordt voldaan aan door de gebruiker gedefinieerde beperkingen (bijvoorbeeld toegestane stressniveaus of kostenbeperkingen).

wanneer een ontwerper CAD gebruikt om een productontwerp te ontwikkelen, worden deze gegevens opgeslagen in een CAD-database. CAD-systemen maken een ontwerpproces mogelijk waarbij objecten bestaan uit subobjecten, die bestaan uit kleinere componenten, enzovoort. Zo zijn CAD-databases meestal objectgeoriënteerd. Omdat CAD-ontwerpen mogelijk moeten worden gebruikt in CAM-systemen, of gedeeld moeten worden met andere CAD-ontwerpers met behulp van een verscheidenheid aan softwarepakketten, zorgen de meeste CAD-pakketten ervoor dat hun databases voldoen aan een van de standaard CAD-dataformaten. Een dergelijke standaard, ontwikkeld door het American National Standards Institute (ANSI), heet Initial Graphics Exchange Specification (IGES).

een ander gegevensformaat is DXF, dat wordt gebruikt door de populaire AutoCAD-software en een de facto industriestandaard wordt. De mogelijkheid om te converteren van het ene bestandsformaat naar het andere heet data-uitwisseling, en is een gemeenschappelijk kenmerk van vele CAD-softwarepakketten. Moderne CAD-systemen bieden ontwerpers en bedrijven een aantal voordelen. Ze stellen gebruikers bijvoorbeeld in staat om tijd, geld en andere middelen te besparen door automatisch standaardcomponenten van een ontwerp te genereren, het hergebruik van eerder ontworpen componenten toe te staan en ontwerpwijzigingen te vergemakkelijken. Dergelijke systemen voorzien ook in de verificatie van ontwerpen aan de hand van specificaties, de simulatie en het testen van ontwerpen, en de output van ontwerpen en technische documentatie rechtstreeks aan productiefaciliteiten. Terwijl sommige ontwerpers klagen dat de beperkingen van CAD-systemen soms dienen om hun creativiteit te beteugelen, is er geen twijfel dat ze zijn uitgegroeid tot een onmisbaar instrument in elektrisch, mechanisch en architectonisch ontwerp.

CAM-systemen

het productieproces omvat procesplanning, productieplanning (inclusief de aanschaf van gereedschap, het bestellen van materialen en het programmeren van numerieke besturing), productie, kwaliteitscontrole, verpakking, marketing en verzending. CAM systemen helpen bij alle, behalve de laatste twee stappen van dit proces. In CAM-systemen interfaces de computer direct of indirect met de productiemiddelen van de fabriek.

procesplanning is een fabricagefunctie die bepaalt welke processen en parameters moeten worden gebruikt, evenals de machines die deze processen uitvoeren. Dit houdt vaak het voorbereiden van gedetailleerde werkinstructies voor machines voor het assembleren of vervaardigen van onderdelen. Computer-aided process planning (CAPP) – systemen helpen het planningsproces te automatiseren door op basis van de familieclassificatie van het geproduceerde onderdeel een reeks bewerkingen te ontwikkelen die nodig zijn voor de productie van dit onderdeel (soms routing genoemd), samen met tekstbeschrijvingen van het werk dat moet worden gedaan bij elke stap in de reeks. Soms worden deze procesplannen geconstrueerd op basis van gegevens uit de CAD-databases.

procesplanning is een moeilijk planningsprobleem. Voor een complexe fabricageprocedure, kan er een groot aantal mogelijke permutaties van taken in een proces dat het gebruik van geavanceerde optimalisatie methoden om het beste proces plan te verkrijgen. Technieken zoals genetische algoritmen en heuristisch zoeken (gebaseerd op kunstmatige intelligentie) worden vaak gebruikt om dit probleem op te lossen.

de meest voorkomende NOK-toepassing is numerieke besturing (NC), waarbij geprogrammeerde instructies werktuigmachines regelen die ruwe voorraad tot eindproducten malen, snijden, frezen, ponsen of buigen. Vaak voert de NC specificaties in uit een CAD-database, samen met aanvullende informatie van de machinegereedschap operator. Een typische NC-werktuigmachine omvat een machinebesturingseenheid (MCU) en de werktuigmachine zelf. De MCU omvat een data processing unit (DPU), die instructies van een deelprogramma leest en decodeert, en een control loop unit (CLU), die de instructies omzet in besturingssignalen en de aandrijfmechanismen van de werktuigmachine in werking stelt.

het onderdelenprogramma is een verzameling statements die geometrische informatie bevatten over het onderdeel en bewegingsinformatie over hoe het snijgereedschap ten opzichte van het werkstuk moet bewegen. Snijsnelheid, toevoersnelheid en andere informatie worden ook gespecificeerd om aan de vereiste deeltoleranties te voldoen. Deelprogrammering is een volledige technische discipline op zich, die een geavanceerde programmeertaal en coördinatenstelsel referentiepunten vereist. Soms kunnen onderdelenprogramma ‘ s automatisch worden gegenereerd uit CAD-databases, waarbij de geometrische en functionele specificaties van het CAD-ontwerp automatisch worden vertaald in de instructies voor het onderdelenprogramma. Numerieke besturingssystemen evolueren naar een meer geavanceerde technologie genaamd rapid prototyping and manufacturing (RP&M). Deze technologie omvat drie stappen: het vormen van dwarsdoorsneden van de te vervaardigen objecten, het leggen van dwarsdoorsneden laag voor laag, en het combineren van de lagen. Dit is een tool-less benadering van de productie mogelijk gemaakt door de beschikbaarheid van solide modellering CAD-systemen. RP&M wordt vaak gebruikt voor het evalueren van ontwerpen, het verifiëren van functionele specificaties en reverse engineering. Natuurlijk worden machinebesturingssystemen vaak gebruikt in combinatie met robottechnologie, waarbij gebruik wordt gemaakt van kunstmatige intelligentie en computergestuurde humanoïde fysieke mogelijkheden (bv. Behendigheid, beweging en zicht). Deze “staalboorden werknemers” verhogen de productiviteit en verlagen de kosten door het vervangen van menselijke werknemers in repetitieve, alledaagse en gevaarlijke omgevingen.

CAM-systemen omvatten vaak onderdelen voor het automatiseren van de kwaliteitscontrolefunctie. Dit omvat het evalueren van product-en process SPECIFICATIES, het testen van inkomende materialen en uitgaande producten, en het testen van het productieproces in uitvoering. Kwaliteitscontrolesystemen meten vaak de producten die van de assemblagelijn komen om ervoor te zorgen dat ze voldoen aan de tolerantiespecificaties die zijn vastgesteld in de CAD-databases. Zij produceren uitzondering rapporten voor de assemblagelijn managers wanneer producten niet voldoen aan de specificaties. Samengevat verhogen CAM-systemen de productie-efficiëntie door productieprocessen te vereenvoudigen en te automatiseren, het gebruik van productiefaciliteiten te verbeteren, de investeringen in productievoorraden te verminderen en uiteindelijk de klantenservice te verbeteren door situaties die niet op voorraad zijn drastisch te verminderen.

ALLES SAMENVOEGEN: COMPUTERGEÏNTEGREERDE fabricage

in een CADCAM-systeem wordt een onderdeel ontworpen op de computer (via CAD) en vervolgens rechtstreeks verzonden naar de computergestuurde werktuigmachines die het onderdeel via CAM vervaardigen. Binnen dit proces, zullen er vele andere geautomatiseerde stappen langs de weg. Het hele gebied van design, material handling, manufacturing en packaging wordt vaak aangeduid als computer-integrated manufacturing (CIM).

CIM omvat alle aspecten van CAD en CAM, evenals inventarisbeheer. Om de kosten laag te houden, hebben bedrijven een sterke motivatie om de voorraadvolumes in hun magazijnen te minimaliseren. Just-In-time (JIT) voorraadbeleid wordt de norm. Om dit te vergemakkelijken, omvat CIM material requirements planning (MRP) als onderdeel van zijn algemene configuratie. MRP-systemen helpen bij het plannen van de soorten en hoeveelheden materialen die nodig zijn voor het productieproces. De fusie van MRP met CAM ‘ s productieplanning en werkvloercontrole heet manufacturing resource planning (MRPII). Zo integreert de fusie van MRP met CADCAM systems de productie-en voorraadbeheerfuncties van een organisatie.

de huidige industrieën kunnen niet overleven tenzij zij nieuwe producten met een hoge kwaliteit, lage kosten en korte doorlooptijd kunnen introduceren. CADCAM systems past computertechnologie toe om deze vereisten te realiseren en belooft in de nabije toekomst een grote invloed uit te oefenen op ontwerp -, engineering-en productieprocessen.