proiectare și fabricație asistată de COMPUTER

proiectarea asistată de Computer (CAD), cunoscută și sub numele de proiectare și redactare asistată de computer (CADD), implică întregul spectru de desen cu ajutorul unui computer-de la linii drepte la animație personalizată. În practică, CAD se referă la software pentru proiectarea soluțiilor inginerești și arhitecturale, completate cu capacități de modelare bidimensională și tridimensională.

fabricarea asistată de calculator (CAM) implică utilizarea computerelor pentru a ajuta la orice proces de fabricație, inclusiv fabricarea flexibilă și robotica. Adesea ieșirile de la sistemele CAD servesc drept intrări la sistemele CAM. Când aceste două sisteme funcționează împreună, rezultatul se numește CADCAM și devine parte a procesului de fabricație integrat de computer (CIM) al unei firme.

sistemele CADCAM sunt destinate să ajute în multe, dacă nu toate, etapele unui ciclu de viață tipic al produsului. Ciclul de viață al produsului implică o fază de proiectare și o fază de implementare. Faza de proiectare include identificarea nevoilor și specificațiilor de proiectare; efectuarea unui studiu de fezabilitate, documentația de proiectare, evaluarea, analiza și optimizarea; și finalizarea proiectului în sine. Faza de implementare include planificarea proceselor, planificarea producției, controlul calității, ambalarea, marketingul și transportul maritim.

sistemele CAD pot ajuta la majoritatea proceselor din faza de proiectare, în timp ce sistemele CAM pot ajuta la majoritatea proceselor de implementare. Contribuțiile sistemelor CAD și CAM sunt descrise mai jos.

sisteme CAD

sistemele CAD sunt o formă specializată de software grafic și, prin urmare, trebuie să respecte principiile de bază ale programării grafice. Toate programele grafice funcționează în contextul unui dispozitiv grafic (de exemplu, o fereastră pe un monitor, o imprimantă sau un plotter). Imaginile grafice sunt desenate în raport cu un sistem de coordonate 2-D sau 3-D, dintre care există mai multe tipuri.

un sistem de coordonate al dispozitivului este 2-D și mapează imaginile direct la punctele (pixelii) dispozitivului hardware. Pentru a facilita Grafica independentă de dispozitiv, un sistem virtual de coordonate a dispozitivului abstractizează punctele 2-D într-un cadru logic.

desigur, dispozitivele proiectate sunt în general obiecte 3-D, care necesită, de asemenea, un sistem de coordonate Mondiale pentru reprezentarea spațiului în care se află obiectele și un sistem de coordonate model pentru reprezentarea fiecăruia dintre obiectele din acel spațiu. Software-ul CAD include algoritmi pentru proiectarea modelelor 3D pe sistemele de coordonate ale dispozitivului 2D și invers.

sistemele CAD includ mai multe funcții primitive de desen, inclusiv linii, poligoane, cercuri și arce, dreptunghiuri și alte forme simple. Din aceste primitive, compozitele 3-D pot fi construite și includ cuburi, piramide, conuri, pene, cilindri și sfere. Aceste forme pot fi desenate în orice culoare și umplute cu culori solide sau alte modele (numite eclozare). În plus, formele de bază pot fi modificate prin filetare (rotunjire) sau șanfrenare (segmentarea liniei).

pe baza manipulării formelor de bază, designerii construiesc modele de obiecte. Un model de formă de sârmă scheletică este o reprezentare 3-D care arată toate marginile și caracteristicile ca linii. Un model cu aspect mai realist se numește model solid, care este un model 3-D al obiectului fiind conceput ca un întreg unitar care nu prezintă caracteristici ascunse. Modelul solid reprezintă un volum închis. Acesta include informații de suprafață și date care determină dacă volumul închis conține alte obiecte sau caracteristici.

modelarea solidă implică funcții pentru crearea de forme 3-D, combinarea formelor (prin operații de unire, intersecție și diferență), măturarea (translațională și rotativă) pentru transformarea formelor simple în altele mai complexe, jupuirea (pentru crearea texturilor de suprafață) și diverse funcții de creare a limitelor. Modelarea solidă include, de asemenea Parametrizare, în care sistemul CAD menține un set de relații între componentele unui obiect, astfel încât modificările să poată fi propagate la următoarele construcții.

formele comune sunt construite în caracteristici (de ex., sloturi, găuri, buzunare), care pot fi apoi incluse într-un model solid al unui obiect. Reprezentarea caracteristică ajută utilizatorul să definească părți. De asemenea, simplifică proiectarea software-ului CAD, deoarece caracteristicile sunt mai ușor de parametrizat decât interacțiunile explicite. Obiectele construite din caracteristici se numesc părți. Deoarece un produs proiectat este compus din mai multe părți, multe sisteme CAD includ un model de asamblare util, în care piesele sunt referite și relațiile lor geometrice și funcționale sunt stocate.

modelele CAD pot fi manipulate și vizualizate într-o mare varietate de contexte. Ele pot fi vizualizate din orice unghi și perspectivă dorit, rupt în afară sau felii, și chiar pus prin teste de simulare pentru a analiza punctele forte și defectele de proiectare. Piesele pot fi mutate în sistemele lor de coordonate prin operații de rotație, care oferă perspective diferite ale unei părți și traducere, care permite părții să se mute în diferite locații din spațiul de vizualizare. În plus, sistemele CAD oferă funcționalități valoroase de dimensionare, care atribuie valori de dimensiune pe baza desenului designerului.

mișcarea acestor imagini este o formă de animație. Adesea, sistemele CAD includ tehnologia realității virtuale, care produce imagini animate care simulează o interacțiune din lumea reală cu obiectul proiectat. De exemplu, dacă obiectul este o clădire, sistemul de realitate virtuală vă poate permite să vizualizați scena ca și cum ați merge în interiorul și exteriorul clădirii, permițându-vă să vizualizați dinamic clădirea dintr-o multitudine de perspective. Pentru a produce efecte realiste, sistemul trebuie să descrie efectele așteptate ale luminii care reflectă pe suprafață în timp ce se deplasează prin spațiul de vizualizare al utilizatorului. Acest proces se numește redare.

tehnologia De redare include facilități pentru umbrire, reflecție și urmărirea razelor. Această tehnică, care este folosită și în jocurile video sofisticate, oferă o imagine realistă a obiectului și adesea ajută utilizatorii să ia decizii înainte de a investi bani în construcția clădirilor. Unele interfețe de realitate virtuală implică mai mult decât stimuli vizuali. De fapt, ele permit proiectantului să fie complet scufundat în mediul virtual, experimentând interacțiunea kinestezică cu dispozitivul proiectat.

unele sisteme CAD merg dincolo de asistarea în proiectarea pieselor și includ de fapt funcționalitatea pentru testarea unui produs împotriva tensiunilor din mediu. Folosind o tehnică numită metoda elementului finit (FEM), aceste sisteme determină stresul, deformarea, transferul de căldură, distribuția câmpului magnetic, fluxul de fluid și alte probleme de câmp continuu.

analiza elementelor Finite nu se referă la toate detaliile de proiectare, deci în locul modelului solid complet se folosește o plasă. Generarea Mesh implică calcularea unui set de elemente simple care oferă o bună aproximare a părții proiectate. O bună discretizare trebuie să conducă la un model analitic de precizie suficientă pentru calculul FEM, dar cu un număr minim de elemente pentru a evita complexitatea inutilă.

în plus față de FEM, unele sisteme CAD oferă o varietate de tehnici de optimizare, inclusiv recoacere simulată și algoritmi genetici (împrumutați din domeniul inteligenței artificiale). Aceste metode ajută la îmbunătățirea formei, grosimii și a altor parametri ai unui obiect proiectat, satisfăcând în același timp constrângerile definite de utilizator (de exemplu, nivelurile de stres admisibile sau limitările costurilor).

când un designer folosește CAD pentru a dezvolta un design de produs, aceste date sunt stocate într-o bază de date CAD. Sistemele CAD permit un proces de proiectare în care obiectele sunt compuse din sub-obiecte, care sunt compuse din componente mai mici și așa mai departe. Astfel, bazele de date CAD tind să fie orientate pe obiecte. Deoarece este posibil ca proiectele CAD să fie utilizate în sistemele CAM sau partajate cu alți designeri CAD folosind o varietate de pachete software, majoritatea pachetelor CAD se asigură că bazele lor de date sunt conforme cu unul dintre formatele standard de date CAD. Un astfel de standard, dezvoltat de American National Standards Institute (ANSI), se numește initial Graphics Exchange Specification (IGES).

un alt format de date este DXF, care este utilizat de software-ul popular AutoCAD și devine un standard industrial de facto. Capacitatea de a converti de la un format de fișier la altul se numește schimb de date și este o caracteristică comună a multor pachete software CAD.

sistemele CAD moderne oferă o serie de avantaje proiectanților și companiilor. De exemplu, acestea permit utilizatorilor să economisească timp, bani și alte resurse generând automat componente standard ale unui design, permițând reutilizarea componentelor proiectate anterior și facilitând modificarea designului. Astfel de sisteme prevăd, de asemenea, verificarea desenelor și modelelor în raport cu specificațiile, simularea și testarea desenelor și modelelor, precum și ieșirea desenelor și a documentației tehnice direct la unitățile de producție. În timp ce unii designeri se plâng că limitările sistemelor CAD servesc uneori pentru a-și reduce creativitatea, nu există nicio îndoială că au devenit un instrument indispensabil în proiectarea electrică, mecanică și arhitecturală.

CAM SYSTEMS

procesul de fabricație include planificarea proceselor, planificarea producției (care implică achiziționarea de instrumente, comandarea materialelor și programarea controlului numeric), producția, controlul calității, ambalarea, comercializarea și transportul. Sistemele CAM ajută în toate, cu excepția ultimelor două etape ale acestui proces. În sistemele CAM, computerul interfațează direct sau indirect cu resursele de producție ale uzinei.

planificarea proceselor este o funcție de fabricație care stabilește ce procese și parametri urmează să fie utilizați, precum și mașinile care efectuează aceste procese. Aceasta implică adesea pregătirea instrucțiunilor detaliate de lucru pentru mașini pentru asamblarea sau fabricarea pieselor. Sistemele de planificare a proceselor asistate de calculator (CAPP) ajută la automatizarea procesului de planificare prin dezvoltarea, pe baza clasificării familiale a părții produse, a unei secvențe de operații necesare pentru producerea acestei părți (uneori numită rutare), împreună cu descrieri text ale lucrărilor care trebuie efectuate la fiecare pas din secvență. Uneori, aceste planuri de proces sunt construite pe baza datelor din bazele de date CAD.

planificarea proceselor este o problemă dificilă de planificare. Pentru o procedură complexă de fabricație, ar putea exista un număr imens de posibile permutări ale sarcinilor într-un proces care necesită utilizarea unor metode sofisticate de optimizare pentru a obține cel mai bun plan de proces. Tehnici precum algoritmi genetici și căutare euristică (bazată pe inteligență artificială) sunt adesea folosite pentru a rezolva această problemă.

cea mai comună aplicație CAM este controlul numeric (NC), în care instrucțiunile programate controlează mașinile-unelte care macină, taie, macină, perforează sau îndoaie stocul brut în produse finite. Adesea, NC introduce specificații dintr-o bază de date CAD, împreună cu informații suplimentare de la operatorul mașinii-unelte. O mașină-unealtă tipică NC include o unitate de control a mașinii (MCU) și mașina-unealtă în sine. MCU include o unitate de procesare a datelor (DPU), care citește și decodează instrucțiunile dintr-un program parțial și o unitate de buclă de control (CLU), care convertește instrucțiunile în semnale de control și operează mecanismele de acționare ale mașinii-unelte.

programul piesei este un set de instrucțiuni care conțin informații geometrice despre piesă și informații despre mișcare despre modul în care instrumentul de tăiere trebuie să se deplaseze în raport cu piesa de prelucrat. Viteza de tăiere, viteza de alimentare și alte informații sunt, de asemenea, specificate pentru a îndeplini toleranțele de piese necesare. Programarea parțială este o întreagă disciplină tehnică în sine, necesitând un limbaj de programare sofisticat și puncte de referință ale sistemului de coordonate. Uneori, programele de piese pot fi generate automat din bazele de date CAD, unde specificațiile geometrice și funcționale ale designului CAD se traduc automat în instrucțiunile programului de piese.

sistemele de control numeric evoluează într-o tehnologie mai sofisticată numită prototipare și fabricație rapidă (RP & M). Această tehnologie implică trei etape: formarea secțiunilor transversale ale obiectelor care urmează să fie fabricate, așezarea secțiunilor transversale strat cu strat și combinarea straturilor. Aceasta este o abordare fără instrumente a producției, posibilă prin disponibilitatea sistemelor CAD de modelare solide. RP& M este adesea folosit pentru evaluarea proiectelor, verificarea specificațiilor funcționale și inginerie inversă.

desigur, sistemele de control al mașinilor sunt adesea utilizate împreună cu tehnologia robotică, folosind inteligența artificială și capacitățile fizice umanoide controlate de computer (de exemplu, dexteritate, mișcare și viziune). Acești „muncitori cu guler de oțel” cresc productivitatea și reduc costurile prin înlocuirea lucrătorilor umani în medii repetitive, banale și periculoase.

sistemele cu came includ adesea componente pentru automatizarea funcției de control al calității. Aceasta implică evaluarea specificațiilor produsului și procesului, testarea materialelor primite și a produselor ieșite și testarea procesului de producție în curs. Sistemele de control al calității măsoară adesea produsele care ies de pe linia de asamblare pentru a se asigura că îndeplinesc specificațiile de toleranță stabilite în bazele de date CAD. Ele produc rapoarte de excepție pentru managerii liniei de asamblare atunci când produsele nu îndeplinesc specificațiile.

pe scurt, sistemele CAM cresc eficiența producției prin simplificarea și automatizarea proceselor de producție, îmbunătățesc utilizarea instalațiilor de producție, reduc investițiile în stocurile de producție și, în cele din urmă, îmbunătățesc serviciul pentru clienți prin reducerea drastică a situațiilor din stoc.

PUNE TOTUL ÎMPREUNĂ: COMPUTER Integrated MANUFACTURING

într-un sistem CADCAM, o piesă este proiectată pe computer (prin CAD), apoi transmisă direct mașinilor-unelte acționate de computer care fabrică piesa prin CAM. În cadrul acestui proces, vor exista mulți alți pași computerizați pe parcurs. Întregul domeniu al proiectării, manipulării materialelor, fabricării și ambalării este adesea denumit fabricație integrată pe computer (CIM).

CIM include toate aspectele CAD și CAM, precum și gestionarea inventarului. Pentru a menține costurile scăzute, companiile au o motivație puternică de a minimiza volumele de acțiuni din depozitele lor. Politicile de inventar Just-in-time (JIT) devin norma. Pentru a facilita acest lucru, CIM include planificarea cerințelor materiale (MRP) ca parte a configurației sale generale. Sistemele MRP ajută la planificarea tipurilor și cantităților de materiale care vor fi necesare pentru procesul de fabricație. Fuziunea MRP cu programarea producției CAM și controlul etajului magazinului se numește planificarea resurselor de fabricație (MRPII). Astfel, fuziunea MRP cu CADCAM systems integrează funcțiile de producție și de control al inventarului unei organizații.

industriile de astăzi nu pot supraviețui decât dacă pot introduce noi produse de înaltă calitate, costuri reduse și timp scurt de plumb. Sistemele CADCAM aplică tehnologia de calcul pentru a face aceste cerințe o realitate și promit să exercite o influență majoră asupra proceselor de proiectare, inginerie și fabricație pentru viitorul previzibil.