datorstödd DESIGN och tillverkning

datorstödd design (CAD), även känd som datorstödd design och ritning (CADD), involverar hela ritningsspektret med hjälp av en dator-från raka linjer till anpassad animering. I praktiken hänvisar CAD till programvara för design av tekniska och arkitektoniska lösningar, komplett med två – och tredimensionella modelleringsfunktioner.

datorstödd tillverkning (CAM) innebär användning av datorer för att hjälpa till i alla tillverkningsprocesser, inklusive flexibel tillverkning och robotik. Ofta fungerar utgångar från CAD-system som ingångar till CAM-system. När dessa två system fungerar tillsammans kallas resultatet CADCAM och blir en del av ett företags datorintegrerade tillverkningsprocess (CIM).

CADCAM-system är avsedda att hjälpa till i många, om inte alla, steg i en typisk produktlivscykel. Produktlivscykeln innefattar en designfas och en implementeringsfas. Designfasen innefattar att identifiera designbehov och specifikationer; utföra en genomförbarhetsstudie, designdokumentation, utvärdering, analys och optimering; och slutföra själva designen. Implementeringsfasen omfattar processplanering, produktionsplanering, kvalitetskontroll, förpackning, marknadsföring och frakt.

CAD-system kan hjälpa till med de flesta designfasprocesserna, medan CAM-system kan hjälpa till med de flesta implementeringsprocesserna. Bidragen från CAD – och CAM-system beskrivs nedan.

CAD-system

CAD-system är en specialiserad form av grafikprogramvara och måste därför följa grundläggande principer för grafikprogrammering. Alla grafikprogram fungerar i samband med en grafikenhet (t.ex. ett fönster på en bildskärm, en skrivare eller en plotter). Grafiska bilder ritas i förhållande till ett 2-D eller 3-D-koordinatsystem, av vilka det finns flera typer.

ett enhetskoordinatsystem är 2-D och kartlägger bilder direkt till punkterna (pixlar) på hårdvaruenheten. För att underlätta enhetsoberoende grafik abstraherar ett virtuellt enhetskoordinatsystem 2D-punkterna i en logisk ram.

naturligtvis är enheterna som är utformade i allmänhet 3D-objekt, vilket också kräver ett världskoordinatsystem för att representera det utrymme där objekten finns och ett modellkoordinatsystem för att representera vart och ett av objekten i det utrymmet. CAD-programvara innehåller algoritmer för att projicera 3D-modellerna på 2D-enhetskoordinatsystemen och vice versa.

CAD-system innehåller flera primitiva ritningsfunktioner, inklusive linjer, polygoner, cirklar och bågar, rektanglar och andra enkla former. Från dessa primitiver kan 3D-kompositer konstrueras och inkludera kuber, pyramider, kottar, kilar, cylindrar och sfärer. Dessa former kan dras i valfri färg och fyllas med solida färger eller andra mönster (kallad kläckning). Dessutom kan grundläggande former ändras genom filetering (avrundning) eller avfasning (linjesegmentering).

baserat på manipulering av grundläggande former konstruerar designers modeller av objekt. En skelett trådform modell är en 3D-representation som visar alla kanter och funktioner som linjer. En mer realistisk modell kallas en solid modell, som är en 3D-modell av objektet som är utformat som en enhetlig helhet som inte visar några dolda funktioner. Den fasta modellen representerar en sluten volym. Den innehåller ytinformation och data som bestämmer om den slutna volymen innehåller andra objekt eller funktioner.

Solid modellering innebär funktioner för att skapa 3D-former, kombinera former (via union, korsning och skillnadsoperationer), svepning (translationell och roterande) för att konvertera enkla former till mer komplexa, skinnning (för att skapa ytstrukturer) och olika gränsskapande funktioner. Solid modellering inkluderar också parametrisering, där CAD-systemet upprätthåller en uppsättning relationer mellan komponenterna i ett objekt så att förändringar kan förökas till följande konstruktioner.

vanliga former är konstruerade i funktioner (t. ex., slitsar, hål, fickor), som sedan kan ingå i en solid modell av ett objekt. Funktionsrepresentation hjälper användaren att definiera delar. Det förenklar också CAD – Programvarudesign eftersom funktioner är lättare att parametrisera än explicita interaktioner. Objekt byggda från funktioner kallas delar. Eftersom en produkt som designas består av flera delar, innehåller många CAD-system en användbar monteringsmodell, där delarna refereras och deras geometriska och funktionella relationer lagras.

CAD-modeller kan manipuleras och ses i en mängd olika sammanhang. De kan ses från valfri vinkel och perspektiv som önskas, bryts isär eller skivas, och till och med genomgå simuleringstester för att analysera styrkor och designfel. Delar kan flyttas inom sina koordinatsystem via rotationsoperationer, som ger olika perspektiv på en del, och översättning, vilket gör att delen kan flytta till olika platser i visningsutrymmet. Dessutom ger CAD-system värdefull dimensioneringsfunktionalitet, som tilldelar storleksvärden baserat på designerns ritning.

rörelsen av dessa bilder är en form av animering. Ofta inkluderar CAD-system virtual reality-teknik, som producerar animerade bilder som simulerar en verklig interaktion med objektet som designas. Om objektet till exempel är en byggnad kan virtual reality-systemet låta dig visualisera scenen som om du gick runt insidan och utsidan av byggnaden, så att du dynamiskt kan se byggnaden från en mängd perspektiv. För att skapa realistiska effekter måste systemet avbilda de förväntade effekterna av ljus som reflekterar på ytan när det rör sig genom användarens visningsutrymme. Denna process kallas rendering.

renderingsteknik inkluderar faciliteter för skuggning, reflektion och strålspårning. Denna teknik, som också används i sofistikerade videospel, ger en realistisk bild av objektet och hjälper ofta användare att fatta beslut innan de investerar pengar i byggnadskonstruktion. Vissa virtual reality-gränssnitt involverar mer än bara visuella stimuli. Faktum är att de tillåter designern att vara helt nedsänkt i den virtuella miljön och uppleva kinestetisk interaktion med den designade enheten.

vissa CAD-system går utöver att hjälpa till med design av delar och innehåller faktiskt funktionalitet för att testa en produkt mot påfrestningar i miljön. Med hjälp av en teknik som kallas finita elementmetod (FEM) bestämmer dessa system stress, deformation, värmeöverföring, magnetfältfördelning, vätskeflöde och andra kontinuerliga fältproblem.

finita elementanalys handlar inte om alla designdetaljer, så istället för den kompletta solida modellen används ett nät. Nätgenerering innebär att man beräknar en uppsättning enkla element som ger en bra approximation av den designade delen. En bra ingrepp måste resultera i en analytisk modell med tillräcklig precision för FEM-beräkningen, men med ett minimum antal element för att undvika onödig komplexitet.

förutom FEM tillhandahåller vissa CAD-system en mängd olika optimeringstekniker, inklusive simulerad glödgning och genetiska algoritmer (lånade från området artificiell intelligens). Dessa metoder hjälper till att förbättra formen, tjockleken och andra parametrar för ett designat objekt samtidigt som de uppfyller användardefinierade begränsningar (t.ex. tillåtna stressnivåer eller kostnadsbegränsningar).

när en designer använder CAD för att utveckla en produktdesign lagras dessa data i en CAD-databas. CAD-system möjliggör en designprocess där objekt består av delobjekt, som består av mindre komponenter och så vidare. Således tenderar CAD-databaser att vara objektorienterade. Eftersom CAD-design kan behöva användas i CAM-system, eller delas med andra CAD-designers som använder en mängd olika programvarupaket, säkerställer de flesta CAD-paket att deras databaser överensstämmer med ett av de vanliga CAD-dataformaten. En sådan standard, utvecklad av American National Standards Institute (ANSI), kallas Initial Graphics Exchange Specification (IGES).

ett annat dataformat är DXF, som används av den populära AutoCAD-programvaran och blir en de facto industristandard. Möjligheten att konvertera från ett filformat till ett annat kallas datautbyte och är ett vanligt inslag i många CAD-programvarupaket.

moderna CAD-system erbjuder ett antal fördelar för designers och företag. De gör det till exempel möjligt för användare att spara tid, pengar och andra resurser genom att automatiskt generera standardkomponenter i en design, vilket möjliggör återanvändning av tidigare designade komponenter och underlättar designmodifiering. Sådana system tillhandahåller också verifiering av konstruktioner mot SPECIFIKATIONER, simulering och testning av konstruktioner och produktion av konstruktioner och teknisk dokumentation direkt till tillverkningsanläggningar. Medan vissa designers klagar på att begränsningarna i CAD-system ibland tjänar till att begränsa deras kreativitet, är det ingen tvekan om att de har blivit ett oumbärligt verktyg inom elektrisk, mekanisk och arkitektonisk design.

CAM-system

tillverkningsprocessen omfattar processplanering, produktionsplanering (med verktygsupphandling, materialbeställning och numerisk kontrollprogrammering), produktion, kvalitetskontroll, förpackning, marknadsföring och frakt. CAM-system hjälper till i alla utom de sista två stegen i denna process. I CAM-system samverkar datorn direkt eller indirekt med anläggningens produktionsresurser.

processplanering är en tillverkningsfunktion som fastställer vilka processer och parametrar som ska användas, liksom de maskiner som utför dessa processer. Detta innebär ofta att man förbereder detaljerade arbetsinstruktioner till maskiner för montering eller tillverkning av delar. Datorstödd processplanering (CAPP) system hjälper till att automatisera planeringsprocessen genom att utveckla, baserat på familjeklassificeringen av den del som produceras, en sekvens av operationer som krävs för att producera denna del (ibland kallad routing), tillsammans med textbeskrivningar av det arbete som ska utföras vid varje steg i sekvensen. Ibland konstrueras dessa processplaner baserat på data från CAD-databaserna.

processplanering är ett svårt schemaläggningsproblem. För ett komplext tillverkningsförfarande kan det finnas ett stort antal möjliga permutationer av uppgifter i en process som kräver användning av sofistikerade optimeringsmetoder för att få den bästa processplanen. Tekniker som genetiska algoritmer och heuristisk sökning (baserat på artificiell intelligens) används ofta för att lösa detta problem.

den vanligaste CAM-applikationen är numerisk styrning (NC), där programmerade instruktioner styr verktygsmaskiner som maler, skär, fräsar, stansar eller böjer rålager till färdiga produkter. Ofta matar NC in SPECIFIKATIONER från en CAD-databas, tillsammans med ytterligare information från maskinverktygsoperatören. Ett typiskt NC-maskinverktyg inkluderar en maskinstyrenhet (MCU) och själva maskinverktyget. MCU inkluderar en databehandlingsenhet (DPU), som läser och avkodar instruktioner från ett delprogram, och en styrslingaenhet (CLU), som omvandlar instruktionerna till styrsignaler och driver maskinverktygets drivmekanismer.

delprogrammet är en uppsättning uttalanden som innehåller geometrisk information om delen och rörelseinformation om hur skärverktyget ska röra sig med avseende på arbetsstycket. Skärhastighet, matningshastighet och annan information anges också för att uppfylla de nödvändiga deltoleranserna. Delprogrammering är en hel teknisk disciplin i sig, vilket kräver ett sofistikerat programmeringsspråk och referenspunkter för koordinatsystem. Ibland kan delprogram genereras automatiskt från CAD-databaser, där de geometriska och funktionella specifikationerna för CAD-designen automatiskt översätts till delprograminstruktionerna.

numeriska styrsystem utvecklas till en mer sofistikerad teknik som kallas rapid prototyping and manufacturing (RP&M). Denna teknik innefattar tre steg: att bilda tvärsnitt av föremålen som ska tillverkas, lägga tvärsnitt lager för lager och kombinera skikten. Detta är ett verktygslöst tillvägagångssätt för tillverkning som möjliggörs av tillgången på solid modellering CAD-system. RP& m används ofta för att utvärdera mönster, verifiera funktionella specifikationer och omvänd teknik.

naturligtvis används maskinstyrningssystem ofta i samband med robotteknik, med användning av artificiell intelligens och datorstyrd humanoid fysisk kapacitet (t.ex. fingerfärdighet, rörelse och syn). Dessa ”stålkragearbetare” ökar produktiviteten och minskar kostnaderna genom att ersätta mänskliga arbetare i repetitiva, vardagliga och farliga miljöer.

CAM-system innehåller ofta komponenter för att automatisera kvalitetskontrollfunktionen. Det handlar om att utvärdera produkt-och processpecifikationer, testa inkommande material och utgående produkter och testa den pågående produktionsprocessen. Kvalitetskontrollsystem mäter ofta de produkter som kommer från monteringslinjen för att säkerställa att de uppfyller toleransspecifikationerna i CAD-databaserna. De producerar undantagsrapporter för monteringslinjecheferna när produkterna inte uppfyller specifikationerna.

Sammanfattningsvis ökar CAM-system tillverkningseffektiviteten genom att förenkla och automatisera produktionsprocesser, Förbättra utnyttjandet av produktionsanläggningar, minska investeringarna i produktionslager och i slutändan förbättra kundservicen genom att drastiskt minska slutsituationer.

ATT SÄTTA IHOP ALLT: DATORINTEGRERAD tillverkning

i ett CADCAM-system konstrueras en del på datorn (via CAD) och överförs sedan direkt till de datordrivna verktygsmaskiner som tillverkar delen via CAM. Inom denna process kommer det att finnas många andra datoriserade steg på vägen. Hela området för design, materialhantering, tillverkning och förpackning kallas ofta datorintegrerad tillverkning (CIM).

CIM omfattar alla aspekter av CAD och CAM, samt lagerhantering. För att hålla kostnaderna nere har företagen en stark motivation att minimera lagervolymerna i sina lager. Just-in-time (JIT) lagerpolicy blir normen. För att underlätta detta inkluderar CIM material kravplanering (MRP) som en del av dess övergripande konfiguration. MRP-system hjälper till att planera de typer och mängder material som behövs för tillverkningsprocessen. Sammanslagningen av MRP med cams produktionsplanering och butiksgolvskontroll kallas manufacturing resource planning (MRPII). Sammanslagningen av MRP med CADCAM-system integrerar således Produktions-och lagerstyrningsfunktionerna i en organisation.

dagens branscher kan inte överleva om de inte kan introducera nya produkter med hög kvalitet, låg kostnad och kort ledtid. CADCAM-system tillämpar datateknik för att göra dessa krav till verklighet och lovar att utöva ett stort inflytande på design, teknik och tillverkningsprocesser under överskådlig framtid.