COMPUTER-AIDED DESIGN AND MANUFACTURING

Computer-aided design (CAD), znany również jako computer-aided design and drafting (CADD), obejmuje całe spektrum rysowania za pomocą komputera-od prostych linii do niestandardowej animacji. W praktyce CAD odnosi się do oprogramowania do projektowania rozwiązań inżynieryjnych i architektonicznych, wraz z możliwościami modelowania dwu – i trójwymiarowego.

Computer-aided manufacturing (CAM) polega na wykorzystaniu komputerów do wspomagania każdego procesu produkcyjnego, w tym elastycznej produkcji i Robotyki. Często wyjścia z systemów CAD służą jako wejścia do systemów CAM. Gdy te dwa systemy działają razem, wynik nazywa się CADCAM i staje się częścią komputerowo zintegrowanego procesu produkcyjnego (CIM) firmy.

systemy CADCAM są przeznaczone do wspomagania wielu, jeśli nie wszystkich etapów typowego cyklu życia produktu. Cykl życia produktu obejmuje fazę projektowania i fazę wdrożenia. Etap projektowania obejmuje określenie potrzeb projektowych i specyfikacji; wykonanie studium wykonalności, dokumentacji projektowej, oceny, analizy i optymalizacji; i zakończenie samego projektu. Faza realizacji obejmuje planowanie procesów, planowanie produkcji, kontrolę jakości, pakowanie, marketing i wysyłkę.

systemy CAD mogą pomóc w większości procesów fazy projektowania, podczas gdy systemy CAM mogą pomóc w większości procesów wdrożeniowych. Wkład systemów CAD i CAM opisano poniżej.

systemy CAD

systemy CAD są wyspecjalizowaną formą oprogramowania graficznego, dlatego muszą przestrzegać podstawowych zasad programowania graficznego. Wszystkie programy graficzne działają w kontekście urządzenia graficznego (np. okna na monitorze, drukarce lub ploterze). Obrazy graficzne są rysowane w odniesieniu do układu współrzędnych 2-D lub 3-D, których istnieje kilka typów.

układ współrzędnych urządzenia jest dwuwymiarowy i mapuje obrazy bezpośrednio do punktów (pikseli) urządzenia sprzętowego. Aby ułatwić grafikę niezależną od urządzenia, wirtualny układ współrzędnych urządzenia abstrahuje punkty 2-D w logiczną strukturę.

oczywiście projektowane urządzenia są na ogół obiektami trójwymiarowymi, które wymagają również światowego układu współrzędnych do reprezentowania przestrzeni, w której znajdują się obiekty, oraz modelowego układu współrzędnych do reprezentowania każdego z obiektów w tej przestrzeni. Oprogramowanie CAD zawiera algorytmy do rzutowania modeli 3D na układy współrzędnych urządzenia 2D i odwrotnie.

systemy CAD obejmują kilka prymitywnych funkcji rysowania, w tym linie, wielokąty, okręgi i łuki, prostokąty i inne proste kształty. Z tych prymitywów można konstruować kompozyty 3-D, które obejmują sześciany, piramidy, stożki, kliny, cylindry i kule. Kształty te mogą być rysowane w dowolnym kolorze i wypełnione jednolitymi kolorami lub innymi wzorami (nazywanymi wylęganiem). Ponadto podstawowe kształty mogą być zmieniane przez filetowanie (zaokrąglanie) lub fazowanie (segmentacja linii).

na podstawie manipulacji podstawowymi kształtami projektanci konstruują modele obiektów. Model postaci drutu szkieletowego jest reprezentacją 3D, która pokazuje wszystkie krawędzie i cechy jako linie. Bardziej realistycznie wyglądający model nazywany jest modelem bryłowym, który jest trójwymiarowym modelem obiektu projektowanego jako unitarna całość nie wykazująca żadnych ukrytych cech. Model bryłowy reprezentuje objętość zamkniętą. Zawiera informacje o powierzchni i dane określające, czy zamknięta objętość zawiera inne obiekty lub cechy.

Modelowanie brył obejmuje funkcje do tworzenia kształtów 3-D, łączenia kształtów (poprzez operacje łączenia, przecięcia i różnicy), zamiatania (translacyjnego i obrotowego) do przekształcania prostych kształtów w bardziej złożone, skórowania (do tworzenia tekstur powierzchni) i różnych funkcji tworzenia granic. Modelowanie bryłowe obejmuje również parametryzację, w której system CAD utrzymuje zestaw relacji między składowymi obiektu, dzięki czemu zmiany mogą być propagowane do następujących konstrukcji.

typowe kształty są konstruowane w funkcje (np., szczeliny, otwory, kieszenie), które następnie mogą być zawarte w solidnym modelu obiektu. Reprezentacja funkcji pomaga użytkownikowi zdefiniować części. Upraszcza również projektowanie oprogramowania CAD, ponieważ funkcje są łatwiejsze do parametryzacji niż jawne interakcje. Obiekty zbudowane z funkcji nazywane są częściami. Ponieważ projektowany produkt składa się z kilku części, wiele systemów CAD zawiera użyteczny model montażu, w którym części są odniesione i przechowywane są ich relacje geometryczne i funkcjonalne.

modele CAD mogą być manipulowane i przeglądane w wielu różnych kontekstach. Można je oglądać pod dowolnym kątem i z dowolnej perspektywy, rozbić lub pokroić, a nawet poddać testom symulacyjnym w celu analizy mocnych stron i wad projektu. Części mogą być przemieszczane w obrębie ich układów współrzędnych poprzez operacje rotacyjne, które zapewniają różne perspektywy części, oraz translację, która pozwala części przemieszczać się w różnych miejscach w przestrzeni widoku. Ponadto systemy CAD zapewniają cenną funkcjonalność wymiarowania, która przypisuje wartości rozmiaru na podstawie rysunku projektanta.

ruch tych obrazów jest formą animacji. Często systemy CAD zawierają technologię wirtualnej rzeczywistości, która tworzy animowane obrazy, które symulują rzeczywistą interakcję z projektowanym obiektem. Na przykład, jeśli obiekt jest budynkiem, system wirtualnej rzeczywistości może pozwolić na wizualizację sceny tak, jakbyś chodził po środku i na zewnątrz budynku, umożliwiając dynamiczne oglądanie budynku z wielu perspektyw. Aby uzyskać realistyczne efekty, system musi zobrazować oczekiwane efekty odbijania się światła na powierzchni podczas poruszania się po przestrzeni widokowej użytkownika. Proces ten nazywa się renderowaniem.

technologia renderowania obejmuje urządzenia do cieniowania, odbicia i ray tracingu. Technika ta, stosowana również w wyrafinowanych grach wideo, zapewnia realistyczny obraz obiektu i często pomaga użytkownikom podejmować decyzje przed zainwestowaniem pieniędzy w Budownictwo. Niektóre interfejsy rzeczywistości wirtualnej angażują więcej niż tylko bodźce wzrokowe. W rzeczywistości pozwalają projektantowi całkowicie zanurzyć się w wirtualnym środowisku, doświadczając kinestetycznej interakcji z projektowanym urządzeniem.

niektóre systemy CAD wykraczają poza pomoc w projektowaniu części i faktycznie zawierają funkcjonalność do testowania produktu przed naprężeniami w środowisku. Stosując technikę zwaną metodą elementów skończonych (fem), systemy te określają naprężenia, odkształcenia, wymiany ciepła, dystrybucji pola magnetycznego, przepływu płynu i innych problemów pola ciągłego.

analiza elementów skończonych Nie dotyczy wszystkich szczegółów projektowych, więc zamiast kompletnego modelu bryłowego stosuje się siatkę. Generowanie siatki polega na obliczeniu zestawu prostych elementów dających dobre przybliżenie projektowanej części. Dobre zazębienie musi skutkować modelem analitycznym o wystarczającej precyzji dla obliczeń MES, ale z minimalną liczbą elementów, aby uniknąć niepotrzebnej złożoności.

oprócz mes, niektóre systemy CAD zapewniają różne techniki optymalizacji, w tym symulowane wyżarzanie i algorytmy genetyczne (zapożyczone z dziedziny sztucznej inteligencji). Metody te pomagają poprawić kształt, grubość i inne parametry projektowanego obiektu, jednocześnie spełniając zdefiniowane przez użytkownika ograniczenia (np. dopuszczalne poziomy naprężeń lub ograniczenia kosztów).

gdy projektant używa CAD do opracowania projektu produktu, Dane te są przechowywane w bazie danych CAD. Systemy CAD pozwalają na proces projektowania, w którym obiekty składają się z pod-obiektów, które składają się z mniejszych elementów, i tak dalej. W ten sposób bazy danych CAD są zwykle zorientowane obiektowo. Ponieważ projekty CAD mogą być używane w systemach CAM lub udostępniane innym projektantom CAD przy użyciu różnych pakietów oprogramowania, większość pakietów CAD zapewnia zgodność ich baz danych z jednym ze standardowych formatów danych CAD. Jeden z takich standardów, opracowany przez American National Standards Institute (ANSI), nazywa się Initial Graphics Exchange Specification (IGES).

innym formatem danych jest DXF, który jest używany przez popularne oprogramowanie AutoCAD i staje się de facto standardem branżowym. Możliwość konwersji z jednego formatu pliku do drugiego nazywa wymiany danych, i jest wspólną cechą wielu pakietów oprogramowania CAD.

nowoczesne systemy CAD oferują wiele korzyści projektantom i firmom. Na przykład pozwalają użytkownikom zaoszczędzić czas, pieniądze i inne zasoby, automatycznie generując standardowe komponenty projektu, umożliwiając ponowne wykorzystanie wcześniej zaprojektowanych komponentów i ułatwiając modyfikację projektu. Takie systemy zapewniają również weryfikację projektów pod kątem specyfikacji, symulację i testowanie projektów oraz wyprowadzanie projektów i dokumentacji inżynierskiej bezpośrednio do zakładów produkcyjnych. Podczas gdy niektórzy projektanci narzekają, że ograniczenia systemów CAD czasami służą ograniczaniu ich kreatywności, nie ma wątpliwości, że stały się one niezbędnym narzędziem w projektowaniu elektrycznym, mechanicznym i architektonicznym.

systemy CAM

proces produkcyjny obejmuje planowanie procesu, planowanie produkcji (obejmujące zakup narzędzi, zamawianie materiałów i programowanie sterowania numerycznego), produkcję, kontrolę jakości, pakowanie, marketing i wysyłkę. Systemy CAM pomagają we wszystkich, ale ostatnie dwa etapy tego procesu. W systemach CAM komputer łączy się bezpośrednio lub pośrednio z zasobami produkcyjnymi zakładu.

planowanie procesu to funkcja produkcyjna, która określa, które procesy i parametry mają być używane, a także maszyny wykonujące te procesy. Często wiąże się to z przygotowaniem szczegółowych instrukcji pracy dla maszyn do montażu lub produkcji części. Computer-aided process planning (CAPP) systemy pomagają zautomatyzować proces planowania poprzez opracowanie, w oparciu o klasyfikację rodziny części produkowane, sekwencji operacji wymaganych do produkcji tej części (czasami nazywany routing), wraz z opisami tekstowymi pracy do wykonania na każdym kroku w kolejności. Czasami te plany procesowe są konstruowane na podstawie danych z baz danych CAD.

planowanie procesów to trudny problem. W przypadku złożonej procedury produkcyjnej może istnieć ogromna liczba możliwych permutacji zadań w procesie wymagającym zastosowania wyrafinowanych metod optymalizacji w celu uzyskania najlepszego planu procesu. Techniki takie jak algorytmy genetyczne i wyszukiwanie heurystyczne (oparte na sztucznej inteligencji) są często stosowane w celu rozwiązania tego problemu.

najczęstszym zastosowaniem CAM jest sterowanie numeryczne (NC), w którym zaprogramowane instrukcje sterują obrabiarkami, które szlifują, tną, frezują, dziurkują lub zginają surowiec w gotowe produkty. Często NC wprowadza specyfikacje z bazy danych CAD, wraz z dodatkowymi informacjami od operatora obrabiarki. Typowa obrabiarka NC obejmuje jednostkę sterującą maszyny (MCU) i samą obrabiarkę. MCU zawiera jednostkę przetwarzania danych (DPU), która odczytuje i dekoduje instrukcje z programu części, oraz jednostkę pętli sterowania (Clu), która konwertuje instrukcje na sygnały sterujące i obsługuje mechanizmy napędowe obrabiarki.

program części to zestaw instrukcji, które zawierają informacje geometryczne o części i informacje o ruchu narzędzia tnącego w stosunku do obrabianego przedmiotu. Prędkość cięcia, prędkość posuwu i inne informacje są również określone w celu spełnienia wymaganych tolerancji części. Programowanie części jest całą dyscypliną techniczną samą w sobie, wymagającą zaawansowanego języka programowania i punktów odniesienia układu współrzędnych. Czasami programy części mogą być generowane automatycznie z baz danych CAD, gdzie specyfikacje geometryczne i funkcjonalne projektu CAD automatycznie przekładają się na instrukcje programu części.

Systemy sterowania numerycznego ewoluują w bardziej wyrafinowaną technologię zwaną szybkim prototypowaniem i produkcją (RP & M). Technologia ta obejmuje trzy etapy: formowanie przekrojów przedmiotów, układanie przekrojów warstwa po warstwie i łączenie warstw. Jest to beznarzędziowe podejście do produkcji możliwe dzięki dostępności systemów CAD do modelowania bryłowego. RP & M jest często używany do oceny projektów, weryfikacji specyfikacji funkcjonalnych i inżynierii odwrotnej.

oczywiście systemy sterowania maszynami są często używane w połączeniu z technologią robotyki, wykorzystując sztuczną inteligencję i sterowane komputerowo zdolności fizyczne humanoidów (np. zręczność, ruch i widzenie). Ci „stalowi pracownicy” zwiększają produktywność i obniżają koszty, zastępując pracowników ludzkich w powtarzalnych, przyziemnych i niebezpiecznych środowiskach.

systemy CAM często zawierają komponenty do automatyzacji funkcji kontroli jakości. Obejmuje to ocenę specyfikacji produktu i procesu, testowanie materiałów przychodzących i produktów wychodzących oraz testowanie procesu produkcyjnego w toku. Systemy kontroli jakości często mierzą produkty, które schodzą z linii montażowej, aby upewnić się, że spełniają specyfikacje tolerancji ustanowione w bazach danych CAD. Produkują raporty wyjątków dla kierowników linii montażowych, gdy produkty nie spełniają specyfikacji.

Podsumowując, systemy CAM zwiększają wydajność produkcji poprzez uproszczenie i automatyzację procesów produkcyjnych, poprawiają wykorzystanie urządzeń produkcyjnych, zmniejszają inwestycje w zapasy produkcyjne i ostatecznie poprawiają obsługę klienta poprzez drastyczne zmniejszenie sytuacji braku zapasów.

: Computer INTEGRATED MANUFACTURING

w systemie CADCAM część jest projektowana na komputerze (za pośrednictwem CAD), a następnie przesyłana bezpośrednio do obrabiarek napędzanych komputerowo, które wytwarzają część za pośrednictwem CAM. W ramach tego procesu będzie wiele innych skomputeryzowanych kroków po drodze. Cała sfera projektowania, transportu materiałów, produkcji i pakowania jest często określana jako produkcja zintegrowana komputerowo (CIM).

CIM obejmuje wszystkie aspekty CAD i CAM, a także zarządzanie zapasami. Aby obniżyć koszty, firmy mają silną motywację do minimalizowania ilości zapasów w swoich magazynach. Zasady inwentaryzacji Just-in-time (JIT) stają się normą. Aby to ułatwić, CIM obejmuje planowanie wymagań materiałowych (MRP) jako część jego ogólnej konfiguracji. Systemy MRP pomagają zaplanować rodzaje i ilości materiałów, które będą potrzebne do procesu produkcyjnego. Połączenie MRP z harmonogramowaniem produkcji CAM i kontrolą hali produkcyjnej nazywa się manufacturing resource planning (MRPII). W ten sposób połączenie MRP z systemami CADCAM integruje funkcje produkcji i kontroli zapasów organizacji.

dzisiejsze branże nie mogą przetrwać, chyba że mogą wprowadzić nowe produkty o wysokiej jakości, niskim koszcie i krótkim czasie realizacji. Systemy CADCAM wykorzystują technologię obliczeniową, aby te wymagania stały się rzeczywistością i obiecują wywierać znaczący wpływ na projektowanie, inżynierię i procesy produkcyjne w dającej się przewidzieć przyszłości.