مقدمه
مقدمه نویسنده:
رشد روزافزون تکنولوژی کامپیوتر و قابلیت های کنترلی، محاسباتی و گرافیکی آن موجب شده است تا این دستاورد حیرت انگیز بشری به عرصه طراحی و تولید قطعات صنعتی قدم بگذارد. استفاده از کامپیوتر در فرآیندهای طراحی و تولید "تکنولوژی طراحی وتولید به کمک کامپیوتر CAD/CAM
[Computer Aided Design and Computer Aided Manufacturing]
نام دارد . هنگامی که قطعات دارای تنوع و پیچیدگی های بسیاری هستند و نمی توان برنامه ساخت آنها را توسط ماشین CNC و به کمک دست انجام داد، کامپیوترها و نرم افزارهای کاربردی در هر دومرحله طراحی و ساخت به کمک انسان می آیند. برنامه ریزی فرایند ساخت، برنامه ریزی ملزومات مواد، کنترل کیفیت و تمامی مسائل مربوط به مدیریت خودکار تولید، با استفاده از این تکنولوژی به راحتی امکان پذیر است.
در سالهای اخیر نهدهای صنعتی کشورمان نیز به تدریج به اهمیت شناخت و به کارگیری تکنولوژی CAD/CAM پی برده اند. اینجانب نیز با توجه به مشغول بودن در صنعت هوافضا و نیاز به ساخت و مدلسازی و طراحی قطعات با استفاده از این فرآیند، اقدام به انتخاب این موضوع برای پروژه پایان تحصیلی خود نمودم. امید است این اقدام، پیش زمینه ای برای استفاده بیشتر از این فرایند برای تولید قطعات مورد نیاز کشورمان برای خودم و خوانندگان آن باشد.
فصل اول:
تاریخچه CAD/CAM و مثالهایی کاربردی از آن
1-1
تاریخچه CAD/CAM
در قرن 19 انقلاب صنعتی موجب رشد توان فیزیکی بشر شد. در قرن 20 نیز دومین انقلاب صنعتی با ظهور کامپیوترها به وجود آمده و قابلیت های فکری بشر را رشد داده است.
امروزه بدون استفاده از کامپیوتر نمی توان پروژه صنعتی مهمی را انجام داد. از اواخر دهه 50 میلادی با قوی شدن ظرفیت ذخیره و سرعت عملیات کامپیوترها، کاربرد آنها در پروژه های مهندسی به طور وسیعی روبه فزونی نهاد. مخصوصاً با ظهور تکنولوژی میکروالکترونیکی VLSI یا مدار مجتمع با مقیاس بسیار بزرگ، سخت افزار کامپیوتر هر روز ارزان و ارزان تر شد؛ به گونه ای که شرکت های صنعتی تمایل پیدا کردند، تا از قابلیت های آن استفاده کنند. به دلیل کوچک شدن سخت افزار کامپیوتر، این ابزار به سرعت در زمینه هایی از صنعت نفوذ کرد که به دلیل بزرگ بودن اندازه کامپیوترهای سنتی، امکان نفوذ چندانی نداشت. در نتیجه این تحولات در علم کامپیوتر، "طراحی به کمک کامپیوتر" و "تولید به کمک کامپیوتر" (CAD/CAM) به خاطر قابلیتی که در افزودن "بهره وری" داشت ، به سرعت در صنایع مهندسی مقبولیت یافت. همان طور که نام CAD/CAM نشان می دهد، این تکنولوژی می تواند چنین تعریف شود: "استفاده از کامپیوترها به منظور کمک به فرایند طراحی و تولید"؛ به عبارت دیگر CAD/CAM عبارت است از کابرد کامپیوترها در فرایند تولید قطعات مهندسی که از دفتر نقشه کشی شروع شده و پس از دپارتمان تولید، کارگاه ماشین، دپارتمان کنترل کیفیت، نهایتاً به انبار قطعات ساخته شده ختم می گردد.
این تکنولوژی روشی موثر، صحیح و رضایت بخش را برای طراحی و تولید محصولات با کیفیت عالی بیان می کند. CAD/CAM شامل دو بخش جداگانه به نام های ذیل می باشد:
1- طراحی به کمک کامپیوتر Computer Aided Desing
2- تولید به کمک کامپیوتر Computer Aided Manu facturing
این دوبخش در طی 30 سال گذشته به طور مستقل رشد کرده اند و هم اکنون هردوی آنها با هم تحت عنوان سیستم های CAD/CAM یکپارچه شده اند. معنای یکپارچگی این است که کلیه عملیات طراحی و تولید می تواند در یک سیستم واحد مورد نظارت و کنترل قرار گیرد.
طراحی به کمک کامپیوتر، اساساً بریک تکنیک متنوع و قدرتمند به نام گرافیک کامپیوتری (Computer Graphics) استوار است. گرافیک کامپیوتری عبارت است از ایجاد و دستکاری اشکال بر روی یک دستگاه نمایش به کمک کامپیوتر، گرافیک کامپیوتری در سال 1950 در دانشگاه ام.آی. تی آمریکا پایه ریزی شد و اولین تصاویر ساده برروی کامپیوتر "ویرل ونید" Whirlwind نمایش داده شد. با ظهور سخت افزار پیشرفته که حافظه و سرعت آن بالا و ارزان نیز بود، نرم افزارهای جدیدتری نیز در زمینه گرافیک به وجود آمدند. نتیجه چنین تحولی، کاربرد روزافزون CAD در صنعت بود. در آغاز، سیستم های CAD به صورت ایستگاههای نقشه کشی خودکاری بودند که در آن رسام های Plotter تحت کنترل کامپیوتر، نقشه های مهندسی را تولید می نمودند.
امروزه سیستم های CAD می توانند به مراتب بیشتر از نقشه کشی عادی کار انجام دهند. برخی از سیستم ها دارای قابلیت های تحلیلی نیز هستند . برای نمونه نرم افزارهایی از CAD وجود دارند که با روش المان محدود می توانند قطعات را از نظر مسائل تنش، حرارت و مسائل مکانیکی مورد تجزیه و تحلیل قرار دهند. همچنین نرم افزارهایی از CAD وجود دارند که می توانند حرکت قطعات را نیز مورد مطالعه قرار دهند. تولید به کمک کامپیوتر اساساً با ظهور کنترل عددی Numerical) Control) یا (NC) مطرح شد. در اواخر دهه 40 فردی به نام "جان پارسونز" Jon T.parsons روشی خاص برای کنترل یک ماشین ابزار ابداع کرد. در روش او کارت های سوراخ شده (Punched Cards) به کار برده شده بود. تا اطلاعات مختصاتی حرکت ماشین به آن ارائه گردد. در این حالت، امکان انجام ماشین کاری روی سطوح موردنظر توسط ماشین میسر می شد. با مشخص شدن مقادیر عددی برای حرکت محور ماشین ابزار، تحولی در حرکت مکانی ماشین ابزار ایجاد شد. اولین نمونه ماشین NC در سال 1952 ساخته شد. تا بتواند توانایی های آن را بیان کند. سپس، سازندگان ابزار و صنایع تولیدی متحداً ماشین های NC جدیدی متناسب با نیازهایشان ساختند. در اواخر دهه 50 کامپیوترها در دسترس بودند و مسلم شده بود که آنها می توانند مقادیر عددی مورد لزوم ماشین های کنترل عددی را تولید نمایند.
در این مرحله نیروی هوایی آمریکا با پرداخت مبالغ زیادی به دانشگاه ام.آی. تی خواستار طراحی یک برنامه نویس قطعه شد که بتواند برای تعریف حرکات هندسی ابزار، در ماشین های کنترل عددی به کار گرفته شود. نتیجه این کار پیدایش زبان APT [Auto matically Programed Tools] شد، که امروزه به عنوان زبان استاندارد ماشین NC ساخته شده است.
APT امکاناتی را فراهم می آورد که برنامه نویس قطعه می تواند میان دستورالعمل های ماشین کاری و ماشین ابزار ارتباط برقرار سازد. با ATP برنامه نویس می تواند اشکال ابزار، تلرانس ها، تعاریف هندسی، حرکات ابزار و فرامین کمکی ماشین را تعریف کند. تعدادزیادی زبان برنامه نویسی NC نیز براساس زبان APT بعداً به وجود آمدند. همانگونه که شرح داده شد، پیشرفت های اولیه CAM عمدتاً در حوزه کنترل عددی تمرکز داشته است. تا این اواخر، فرامین و دستور العمل های NC هنوز در دست انسان تولید و تصحیح می شدند.هم اکنون سیستم های CAM می توانند برنامه های NC را با درجه ای از صحت ودقت بالا تولید کنند و مسیر ابزار (Cutter Line) را برای مشخص شدن ترتیب مراحل ساخت روی صفحه تصویر Monitor سریعاً نشان دهند. برخی از این سیستم ها حتی قابلیت مدیریت کارخانه را نیز دارند؛ و جریان کار و مواد را در طول کارخانه هدایت می کنند. دست آورد تکنولوژیک جدیدی که به تدریج به جمع فعالیت های CAM پیوست، که در آن بازوهای متحرک خودکار، قطعات کاری و ابزارها را به کار می گیرند. ]رجوع به 1و 8[
2-1 مثالهایی کاربردی از تکنولوژی CAD/CAM در جهان
– درسیستم های اولیه CAD/CAM ، بیشتر تجهیزات حجیم بودند و قیمت بالای چند میلیون دلار داشتند. همچنین برای به کاربردن آنها نیاز به یک اپراتور بود که به کارهای برنامه ریزی و کاربرد کامپیوتر آشنایی داشته باشد. درنتیجه فقط شرکتهای بزرگ ساخت هواپیما و صنایع هوافضا و خودروسازی قادر به استفاده از آنها بودند؛ و هنوز هم بسیاری از تجیهزات سیستم های CAD/CAM تحت استفاده انحصاری این شرکت های بزرگ قرار دارد.
اما در حین سیر نزولی که در اندازه و قیمت این مجموعه روزبه روز صورت می گیرد، قدرت محاسباتی آنها بالا می رود. نتیجه این امر رشد و گسترش وسیع و سریع سیستم های مذکور در صنایع عمومی بود که از طریق وارد شدن این سیستم های مستقل و نه چندان هزینه بر که در آنها استفاده کننده می تواند عملیات طراحی خیلی پیچیده، تجزیه و تحلی و دیگر کارهای تولیدی را انجام دهد ، صورت گرفت. این امر یعنی بهره گیری از کامپیوترهای کوچک ، به استفاده کننده اجازه می دهد که بدون آموختن برنامه نویسی و نحوه کاربرد کامپیوتر، از مزایای آن بهره بگیرد. اگرچه سیستمهای خیلی پیشرفته در کارخانه های بزرگ باقی می مانند، ولی بسیاری از کارخانه های کوچک که قبلاً توانایی خرید سیستم های CAD/CAM را نداشتند، هم اکنون جزواستفاده کنندگان این سیستم ها می باشند. البته مهمترین انگیزه استفاده از CAD/CAM افزایش بهره وری Productivity مهندسی است. هزینه های بسیار زیاد تولید سنتی سفینه های فضایی، این کارخانه ها را واداشت که از چندین سال قبل برای تولید اقتصادی تر هواپیما، به فکر تجهیز کارخانه هایشان به سیستم CAD/CAM بیفتند. به همین ترتیب ، صنایع خودروسازی این تکنولوژی را به عنوان بهترین راه طراحی و تولید اتومبیل ها قلمداد کردند. طراحی وتولید به کمک کامپیوتر CAD/CAM ، امروزه ، به همه صنایع سرایت کرده است و در تولید بسیاری از محصولات به کار گرفته می شود.
1-2-1 استفاده از تکنولوژی CAD/CAM در فضا نوردی
احتمالاً کاربرد CAD/CAM در صنایع مربوط به فضانوردی از همه رشته های دیگر قدمت بیشتری دارد؛ و شرکت بوئینگ یکی از پیشتازان استفاده از این سیستم می باشد که درجهت توسعه و بسط آن از اولین روزهای مطرح شدن، سهم به سزایی داشته است. در اواخر سال 1950 میلادی، زبان APT را برای تشریح و تولید قطعات به کمک ماشین های NC با حیطه عمل نسبتاً محدودی به کار گرفت؛ و در اوایل سال 1960 میلادی، در زمینه تولید قطعات هواپیمایی بوئینگ 727، کمک بیشتری از ماشینهای NC گرفته شد.
در اواسط سال 1960 میلادی، شرکت بوئینگ طرح ساخت بوئینگ 737 را ارائه داد و خودش را در زمره بزرگترین استفاده کنندگان تجهیزات کنترل عددی NC قرار داد. مهندسین آن، نه تنها از تکنولوژی NC برای ساخت قطعات استفاده می کردند، بلکه از آن برای تشریح و تفسیر معادلات ریاضی سطوح پیچیده مربوط به بدنه هواپیما ، کمک می گرفتند. این تصمیم منجر به ارائه برنامه APLFT شد، که یکی از پیشتازترین برنامه ها در تکنولوژی توصیف سطوح تابدار پیکره ای می باشد.
در اوایل سال 1970 میلادی، کمپانی بوئینگ اولین استفاده کننده تکنولوژی APT در توسعه نقشه های مهندسی بود. در این کاربرد، برنامه برای حرکت دادن یک ماده خالکوبی در مقابل ابزار برش یک ماشین افزار به کار می رفت. یکی از اولین پروژ ه های اصلی که این قدرت (رسم نقشه) را آشکار ساخت، برنامه حمل ونقل تاکنیکی 14- YC بودکه برای ترسیم قسمتهای زیادی از بدنه و بال هواپیما به کمک زبان APT می تواند در ترسیم قطعات مشابه و هم خانواده، نظیر کناره بالها و بدنه هواپیما کارایی خوبی داشته باشد. اما نکته قابل توجه تر این بود که این کوششها همگی نشان دادند که یک سیستم کامپیوتری، می تواند در طراحی و تولید قطعات پیچیده خیلی مثمر ثمر افتد. این تلاشها پایه ای برای توسعه روز افزون این مجموعه های پیشرفته، در راستای رسیدن به سیستمهای مجتمع شده CAD/CAM بود که بتواند تمام کارهای تولید و طراحی را به خوبی انجام دهد. در اواسط سال 1970 میلادی، شرکت بوئینگ از سیستمهای کامپیوتری گرافیکی متقابل، برای تولید بوئینگ 747 استفاده نمود. این سیستمهای تبادلی، اپراتور را قادر ساخت تا نقشه قطعات را ترسیم نموده و آنها را بدون فوت وقت در قابل یک شکل گرافیکی نمایش دهد؛ و در نتیجه ساختارهای NC در سیستمهای کنترل کامپیوتری تولید و استفاده از تجهیزات این مجموعه ها، به صورت چشمگیری افزایش یافت. به عنوان مثال، می توان ماشینهای پرچ عظیمی که در طول هواپیما، به حرکت در می آیند و به طور خودکار سوراخهایی در بدنه ایجاد نموده، بعد خزینه زنی می کنند و سپس پرچ را در سوراخ قرار داده و پرچ می کنند، نام برد . شرکت بوئینگ ، هم اکنون قابلیتهای CAD/CAM را برای خانواده جدید تولیداتش، یعنی هواپیما بوئینگ 757 و 767 و 777 به کار می برد. در بوئینگ 767 بیشتر از هر هواپیمای دیگری از سیستمهای CAD/CAM استفاده می شود. حدود شش هزار نقشه (چیزی در حدود %30 از کل هواپیما) قرار است توسط CAD/CAM تولید شوند. این نقشه ها برای طراحی قطعاتی است که 90% وزن بدنه هواپیما را تشکیل می دهند.
نقشه های ترسیم شده برای بوئینگ، حاصل ترکیبی از به کارگیری زبان APT و گرافیکهای تبادلی بود. اساساً زبان APT برای تعریف سطوح قطعات مشابه به کار می رود، در ضمن این که سیستمهای گرافیکی برای افزودن جزئیاتی نظیر چهارچوب بالها، ستونهای عقب و جلو و زه های ستونهای داخلی به کار می روند، هر ساختاری مربوط به قطعات مختلف، باتبدیل پارامترهای مربوط به آن قطعه به زبان APT، می تواند تولید شود و نتایج مربوط به هندسه قطعه نیز می تواند بعداً به یک ترمینال CAD/CAM انتقال داده شده و اطلاعات اضافی به آن افزوده گردد. با ترکیب همه این اطلاعات در قالب یک پایگاه اطلاعاتی جامع، قطعات نهایی هواپیما در کامپیوتر روی هم مونتاژ می شوند تاوضعیت آنها از حیث لقی وسائل انطباق بررسی شود. به عنوان مثال، ممکن است عملکرد چرخ دنده ها در اثر عدم روغنکاری و خشک کار کردن آنها بررسی گردد؛ یا مسیر سیم های برق و لوله ها از میان قسمتهای مختلف هواپیما، مورد مطالعه قرار گیرد.
طرح های ارائه شده در جهتی آماده شده بودند تا سرویس های کامپیوتری بوئینگ را آن قدر واضح و روش نمایند که همه مهندسین بتوانند با پایگاههای اطلاعاتی عظیم از طریق ترمینالهای گرافیکی ارتباط برقرار کنند. این امر شامل همه مهندسینی که در سراسر ایالات متحده آمریکا و دیگر جاها کار می کنند می گردد، تا بتوانند با پایگاههای اطلاعاتی از طریق ترمینالها گرافیکی و با دادن هندسه شکل قطعات برای طراحی و تجزیه و تحلیل ساختاری آنها، ارتباط برقرار کنند.
طبیعتاً ، زمان حل مساله بطور محسوسی کاهش خواهد یافت، طر ح ها مجتمع تر و مطالعات و بررسی ها جامع تر خواهند شد و وسایل ارتباطی توسعه خواهند یافت.
همه تولید کنندگان اصلی هواپیما، همپای نیروی هوایی آمریکا در جهت توسعه زمینه های استفاده از CAD/CAM گام برمی دارند. متمرکزترین کوشش نیروی هوایی و اصلی ترین پروژه آن، برنامه ICAM می باشد که هدف نهایی از ارائه آن رسیدن به کارخانه های خودکار برای تولید هواپیما می باشد. با وجوداین، استفاده از CAD/CAM در دیگر وسائل و تجهیزات نیروی هوایی نیز وجود دارد. صدها مهندس نقشه کش ، که روی طرح ریزی پلان همکف در بیشتر مراکز مهندسی سایتهای لازمه کار می کنند، در موسسه "آرنولد" برای طرح ریزیهای آتی مشغول به کار هستند. طرح های فعلی محدود به مختصات و هندسه شکل دوبعدی می شود.
اما طرح ها در حال بسط یافتن به سوی سیستمهای کاملاً سه بعدی می باشند. هنگامی که این طرح ها کاملاً تجهیز شدند، برای تولید اجزای پیچیده هواپیما ها روی سیستمهای کنترل عددی سیستم DNC (Desing Numerical Control) به کار گرفته می شوند و می توانند برای انجام تست پروژه های مربوط به نیروی هوایی نیز مورد استفاده قرار گیرند. روزبه روز در تولید هواپیماهای سبک نیز از CAD/CAM بیشتر استفاده می شود. شرکت "پیپر" برای ایجاد طرح های مهندسی و تجهیز وسایل خود از سیستم MCAUTO.CADD بهره گرفته است. از این سیستم در تولید قطعات هواپیمای مدل Cheyenne III بهره فراوانی گرفته شده است.
کاربرد این سیستم ، در کاهش زمان تولید و حذف خطاها خیلی مثمرثمر می باشد. شرکت "پیپر" به این نکته واقف گردیده است که استفاده از CAD/CAM ارتباط میان بخشهای مختلف عملیاتی را در ایالتهای مختلف فلوریدا، پنسیلوانیا و کالیفرنیا خیلی تسریح می نماید. با دادن این طرح، اطلاعات مربوطه بر روی ترمینالهای گرافیکی از طریق خطوط تلفنی منتقل می شد و مهندسین هرکدام از این قسمتها، بطور یکسان و بدون هیچ تبعیضی می توانستند، طرح داده شده را تحت بازنگری قرار دهند. شرکت "پیپر" از برنامه ای به نام CADD ، تحت عنوان FAST CUT برای تولید ساختارهای NC که در ماشینهای پرس، فرز چند محوره و ماشینهای مورد استفاده می باشد، کمک می گیرد. برنامه FACT CUT با ایجاد یک رابطه تبادلی از روی هندسه سیستم CADD ، یک نوار NC تهیه می کند که به کمک آن می توان عملیات خط کشی روی فرز Scribing هسته زنی، پرچ کاری، فرزکاری و سوراخ کاری و دیگر کارهای تولید را کنترل نمود. در نتیجه شرکت "پیپر" طرح قطعات را با سیستم CADD تهیه می کند و برای تولید آنها از سیستم FAST CUT و تولید نوارهای NC کمک می گیرد.
2-2-1 استفاده از سیستم CAD/CAM در خودروسازی:
صنایع خودروسازی عموماً با سیستم های CAD/CAM سازگار بوده است . تکنولوژی کامپیوتر مهندسین را وادار می سازد که طرح های جدید خودروها را به سمت ایجاد ایمنی بالاتر و کاهش وزن خودرو برای مصرف سوخت کمتر پیش ببرند. در مجموع، زمان و هزینه ساخت اتومبیل ها در صورت به کارگیری سیستمهای CAD/CAM کمتر می شود.
اساساً تکنولوژی کامپیوتری، مهندسین را قادر ساخته است تا به صورت خیلی بهتر مدیریت دهها هزار متغیر مربوط به طرح اتومبیل را به عهده بگیرند و تمام مسائل درگیر با طرح مربوطه را زیرنظر داشته باشند. صاحب نظران در زمینه صنعت چنین می گویند که وسایل ایمنی بیشتر، مسائل محیطی و تجهیزات کم کردن مصرف سوخت در اتومبیل توسط دولتهای فدرال چنان دقیق و سریع توسعه داده شده اند که این امر واقعاً برای آدمی میسر می شود که به تنهایی و با سرعت لازم بتواند نقشه های مهندسی را تغیر داده و اصلاح نماید. همچنین آنها معتقدند که کامپیوتر برای طراحی خودرو، یک ضرورت است. زیرا به وسیله کامپیوتر می توان استانداردهای لازم را به خوبی رعایت نمود.
با همه آنچه گفته شد، این فقط قطعات مکانیکی نیستند که توسط کامپیوتر مدلسازی می شوند. یکی از جدیدترین استفاده های تکنولوژی CAD/CAM درشرکت "کرایسلر" (Chrysler)
صورت می گیرد. این تکنولوژی ماکتی تحت عنوان "سایبرمن" می باشد. این مدل کامپیوتری برای ارزیابی نحوه دادن صندلیهای داخلی اتوبوس و دستگیره ها به کار می رود.
مدل کامپیوتری فوق، مهندسین را قادر می سازد تا بتوانند در مراحل اولیه طراحی وسیله نقلیه، وضعیت مسافرین را پیش بینی کرده و از صرف هزینه های ساخت فیزیکی وسیله جلوگیری نمانید. مدل می تواند برای جاها و موقعیت های مختلف برنامه ریزی شود. و سپس روی صفحه یک ترمینال گرافیکی چه به عنوان یک قطعه الصاقی و یا یک طرح نهایی یا قاب سیمی مورد بررسی قرار گیرد.
شبیه سازی سیستمها، یکی از مهمترین مسائل در به کار بردن سیستمهای CAD/CAM می باشد که در صنایع خودروسازی نقشی بسیار مهم را ایفا می کند. با به کارگیری روش شبیه سازی، یک مدل دقیقی از وسیله نقلیه ساخته شده و تمام حالات و قیود و بارهای اعمال شده در حالت واقعی برآن اعمال می شود و مدل نیز پاسخهای لازم را به عملهای وارده به آن درست مشابه یک ماشین واقعی می دهد. مدل شبیه سازی شده و سیستم مدل سازی کردن، همه خصوصیات قطعات از تایر و کمک فنرها گرفته تا تمام بدنه ماشین را نشان می دهد.
داده های اضافی که به مدل سیستماتیک داده می شود، نمایشگر بارهای خارجی وارد برقطعه نظیر برخورد بین لاستیک و گلگیرها و دیگر اشکالاتی است که ممکن است در حین حرکت خودرو پیش بیاید.
کامپیوتر، همه این دسته اطلاعات را جمع بندی کرده و سپس یک برآورد دقیق از رفتار وسیله نقلیه در حین شرایط مختلف کاری را به شکل یک مدل شبیه سازی شده نقاشی متحرک ارائه می دهد که بیانگر تغییر شکلهای به وجود آمده در ساختار وسیله نقلیه می باشد. جابه جایی واقعی و تغییر شکلهای وارد بر قطعه، بسیار کوچک بوده و سریع صورت می پذیرد. بنابراین مدلهای شبیه سازی این تغییر شکلها را به صورت اغراق آمیز و بزرگ شده و در قالب حرکت آهسته نشان می دهند تا تمام تغییر حالتها به وضوح نشان داده شده و بررسی شوند.
برمبنای این مدلهای شبیه سازی شده، طرح خودرو ممکن است آن قدر مورد تجدید نظر و شبیه سازی قرار گیرد تا نهایتاً به یک طرح اجرایی منجر گردد. در این شیوه، مدل بدون به کارگیری هیچ وسیله سخت افزاری در کامپیوتر مورد تجزیه و تحلیل و طراحی قرار می گیرد. اصولاً، طرحهای حاصل از به کارگیری سیستمهای CAD/CAM یک طرح بهینه خواهد بود. زیرا که حالتهای مختلف یک طرح شبیه سازی شده، وبهترین حالت آن انتخاب می شود. در مقابل آن، فرایند تکراری ساختن و آزمایش کردن می باشد که نیازمند اندازه گیریهای فیزیکی زیادی نیز هست. در شرایط طراحی توسط نیروی انسانی و روشهای دستی، طرح ماکت، طرح قابل قبول (Feasible) می تواند گردد و ممکن است همیشه بهترین طرح نباشد. زیرا که تغییرات کلی در طرح، در حین ساخت ممکن نیست و آنها بعداز ساخت و طی کردن حداقل مراحل اولیه آن، مشخص می گردد.
بازدهی و کارآیی تکنولوژی CAD/CAM در طراحی خودرو، موقعی آشکار شد که کمپانی "جنرال موتورز" از سیستم شبیه سازی کامپیوتری درطرح ماشین های سری Full-Sized Bبهره گرفت. این تکنیک ، به مهندسین این توانایی را می داد تا از وزن ماشین با حفظ سرعت و قابلیت و کیفیت حمل ونقل، آن حدود 500 کیلو بکاهند. دیگر سودهای حاصل از به کارگیری شبیه سازی کامپیوتری در صنایع اتومبیل سازی، کاهش هزینه و زمان ساخت محصولات می باشد. برای مثال، در طرح ماشین "کادیلاک سویل" Cadilac Seville)) زمان زیادی روی شبیه سازی کامپیوتری آن صرف شده و یک طرح خوب و قابل اجرا در مدت 6 ماه وکمتر از زمان پیش بینی شده بدست آمد.
تجزیه و تحلیل مدل اجسام محدود، تکنیک دیگری است که در صنایع اتومبیل سازی برای تشخیص نقاط پرتنش در قطعاتی نظیر گلگیرها که خیلی ضربه پذیر و مستهلک شونده هستند، کاربرد زیادی دارد. با استفاده از این روش، تحلیل گر می تواند اثرات تغییر شکل در طرح و یا تغییر مواد خام برای ساخت قطعات را بررسی کند. شرکت "کرایسلر" قصد دارد در طرح سریع ترین ماشین خود با بهره گیری از روش مدل اجسام محدود، با یک آزمایش امکان به کارگیری قطعات سبک نظیر پلاستیکها، گرانیتها و فولادهای با استحکام بالا، حدود 1300 پوند از وزن متوسط وسیله نقلیه بکاهد. به همین ترتیب، در شرکت "فورد" نیز از روشهای مدل اجسام محدود و تکنولوژی وابسته به آن استفاده چشمگیری می شود و مدلهای "سکورت- لینکس" (Secoret/lynx models) از اولین خطوط تولید این کارخانه است که تمام مراحل آن از CAD استفاده می شود.
همچنین روش اجسام محدود برای بررسی نحوه انهدام خودروها نیز به کار می رود. در اوایل سال 1960 میلادی، تنها راه بررسی این مقوله برخورد یا تصادم اتومبیل با مانع بوده بعداً، شبیه سازی کامپیوتر مبتنی برقسمت داده ها برای مطالعه دینامیک خرد شدن وسیله نقلیه واثر آن برمحیط اطراف خود مورد استفاده قرار گرفت و شبیه سازی نحوه انهدام خودرو، به عنوان یک ابزار مطمئن در طراحی خودرو، به کار گرفته شد. اما این روش هنوز هم، نیازمند به دادن اطلاعات تجربی و غیرعلمی می باشد، تا بتواند تغییرات پلاستیکی ایجاد شده در ساختار را نشان دهد.
3-2-1 استفاده از سیستم CAD/CAM در صنایع عمومی:
اگرچه صنایع هواپیماسازی و خودروسازی هنوز هم بزرگترین استفاده کنندگان از سیستم CAD/CAM می باشند ولی کاربرد آن در زمینه های مختلف صنایع عمومی خیلی سریع گسترش یافته است.
بسیاری از تکنیک هایی که در صنایع هواپیماسازی و خودروسازی به کار گرفته می شود، می تواند عیناً و مستقیماً به دیگر انواع تجهیزات نظیر ماشین آلات راه سازی و کشاورزی نیز منتقل شود در نتیجه، شرکت هایی نظیر شرکت بین المللی "هاروستر" و شرکت تراکتورسازی "کاترپیلار" سرمایه های زیادی را روی طراحی و تولید به کمک کامپیوتر صرف کرده اند. در مجموع، صنایع نظامی هنوز هم بیشترین سرمایه گذاری روی این سیستم داراست. نیروی دریایی آمریکا، حدود 10 میلیون دلار را روی سیستم های پیچیده گرافیکی تبادلی، به منظور بهره گیری در ساخت ناوهای جنگی و کشتیها صرف نموده است. مدلهای مربوط به کشتیهای مختلف، در حافظه کامپیوتر ضبط می شود. با کمک این پایگاه اطلاعاتی، می توان جزئیات ساختاری مربوط به طرح را به نمایش درآورد.
طراحان ممکن است اطلاعات مربوط به اثر باد، حرکت امواج و دیگر محدودیت های محیطی را، برای بررسی رفتار کشتی روی دریا به کامپیوتر بدهند.
استفاده از سیستم CAD/CAM در تولید ماشین افزارها نیز جای خاصی دارد. شرکت تولید ماشین افزار "بندیکس"، دارای سیستمی برای طراحی چرخ دنده هایی است که موتور محرکه را به چندین محور ماشین افزار وصل می کنند. سیستم CAD/CAM ، اندازه نهایی چرخ دنده ها و نحوه درگیری آنها را از استفاده کننده می پرسد و سپس برمبنای آن، سرعت محور خروجی را می دهد. همچنین سیستم قادر است بگوید که چگونه یک چرخ دنده را در جعبه دنده جا بزنیم تا تداخل و برخوردی صورت نگیرد. در مجموع می خواهیم بگویم که سیستم CAD/CAM قابلیت تولید نوارهای کنترل عددی یا NC ، برای تراش تمام چرخ دنده های موجود در جعبه دنده را دارد.
به علاوه شرکت "بندیلکس" دارای برنامه ای است که به مقایسه هزینه و راندمان خطوط انتقال مختلف می پردازد. نرم افزار به کار گرفته شده در این شرکت، مشابه نرم افزاری است که در شرکتهای "فورد" و "جنرال موتورز" برای بررسی راندمان سیستمهای مونتاژ اتومبیل به کار می رود. با کمک این سیستم، حالتهای گوناگون پیش آمده برای خطوط انتقال ، به مجموعه داده می شود و سیستم کارایی مربوط به عملیات را نشان می دهد. فاکتورهایی که توسط کامپیوتر باهم مقایسه می شوند، شامل عوامل مانند: نوع ماشین، پالتهای موجود در هر ماشین، تعداد قطعه در هر پالت، اندازه پالت، طول ایستگاه کاری، زمان عملیاتی، تعداد تعویض ابزار و فاصله و زمان انتقال می شود.
درشرکت "هیوقس" Hughes))، برای طراحی سرمته مربوط به مته هایی که درون سرمته های آن شیاری برای پمپاژ کردن روغن وجوددارد و به منظور خنک کردن سرمته در آن تعبیه شده است، با بهره گیری از یک سیستم CAD "اپلیکون" زمان طراحی به نصف خواهد رسید. این نحوه کاهش در پیش زمان تولید ، در زمینه مربوط به اکتشافات نفت، جایی که طرح سرمته ها توسط افراد عادی و با کم توجهی و برای برطرف کردن مسائل مورد سوراخکاری طراحی می شدند و سپس می شکستند، بسیار مهم و حیاتی می باشد.
یکی از بزرگترین شرکتها در صنایع عمومی که از CAD/CAM خیلی بهره می گیرد، شرکت "جنرال الکتریک" است. به ازای هر 10 مهندس در شرکت مزبور، یک ترمینال گرافیکی وجود دارد و شرکت قصد دارد در 10 سال آتی ، تعداد این ترمینال ها را افزایش دهد. در حال حاضر، حدود 800 نوع کاربرد مربوط به ترمینالهای گرافیکی درشرکت "جنرال الکتریک" وجود دارد، که بیشتر آنها برای طرحی لوازم خانگی وتولیدات وابسته به آنها می باشند.
سرمایه گذاری شرکت "جنرال الکتریک" در زمینه سیستم های CAD/CAM بسیار بالا است. این هزینه در سال 1980 میلادی، بالای بیلیون دلار برآورد شده است که حدود تا از این مقدار، صرف خود سیستم ها و اجزای جانبی آن شده است.
شرکت "جنرال الکتریک"، همواره یکی از بزرگترین شرکتهای انحصاری استفاده کننده از تجهیزات گرافیکی متقابل و همچنین بزرگترین مشتری شرکت های بزرگ عرضه کننده سیستم های کامپیوتری نظیر کامپیوتر "ویژن" (Computer Vision) و "اپلیکون" (Applicon) بوده است.
شرکت مزبور، از طراحی و تولید کامپیوتری برای انجام کار های مختلفی در رابطه با محصولاتش بهره می گیرد. برای مثال، نحوه سرد شدن قطعات پلاستیکی ریخته گری شده، در صورت شکل گرفتن عمل، شبیه سازی می شود. طرح مدل بعداً می تواند تغییر داده شده و دوباره شبیه سازی گردد، نهایتآً به یک تابع توزیع حرارت مناسب برسد. این روش، روشی بالاتر از روشهای قبلی بود که در آن، قطعه ریخته می شود وسپس توسط روش سعی و خطا به تابع توزیع حرارت دست می یافت و از آنجا که شرکت "جنرال الکتریک" در هر سال بیش از 130 میلیون پوند قطعه پلاستیکی می سازد، این روش منجر به صرفه جویی مبلغی معادل 100میلیون دلار شد. علاوه براین تکنیک روش مدل اجسام محدود را عیناً برای ریخته گری (Casting) ، آهنگری Forging)) و حدیده کاری Ectrusion)) نیز به کار می برند.]رجوع به 2[.
فصل دوم:
مبانی CAD/CAM
مبانی CAD/CAM
1-2 مقدمه
امروزه با توجه به رشد و توسعه روز افزون کامپیوتر و صنایع کامپیوتری در تمام زمینه های علمی و فنی، هنری، خدماتی و اکثر فعالیت های تجاری، دولتی، نظامی و … استفاده از کامپیوتر در امور یاد شده بالا اجتناب ناپذیر می نماید. علی الخصوص طی سالهای اخیر باتوجه به برتریها ومزایای کامپیوتر این وسیله نقش خود را به عنوان ابزار قدرتمندی درطراحی و تولید یک محصول نیز تثبیت نموده است.
در بخش زیر نقش کامپیوتر در فعالیت های مختلف طراحی، فعالیت های مختلف ساخت، فعالیت های مختلف موجود در یک چرخه تولیدی ونهایتاً اتوماسیون و سیستم های اتوماتیک تشریح می گردد.
بنابه تعریف CAD/CAM تکنولوژی مبتنی بر استفاده از کامپیوتر در کلیه فعالیت ای طراحی وساخت یک محصول می باشد. جهت آشنایی بیشتر با بحث های مطرح شده در این فصل ابتدا لازم است که مراحل مختلف دریک چرخه تولید معرفی گردد.
2-2 بررسی مراحل مختلف در یک چرخه تولید
به طور خلاصه اهم فعالیت های انجام گرفته در چرخه تولید یک محصول به شرح زیر می باشد:
1-2-2 ثبت و سفارش (Sales)
هرساختار یا سازمان تولیدی دارای توانایی های بخصوصی می باشد. استفاده و به کارگیری صحیح این توانایی ها نیاز به تعیین بازارهای مناسب دارد. تعیین بازار شامل بررسی و تعیین پارامترهای مختلفی نظیر مقادیر کمی تولید، رقابتهای بالقوه و بالفعل در بازار و … می باشد. پس از مشخص شدن بازار و چگونگی توسعه آن درآینده، محصولات برای ساخت شناسایی یا طراحی می شوند. توجه به این نکته ضروری است که مراحل ثبت و سفارش یا براساس ارائه نمونه ها (Prototype) و یا براساس ارائه مشخصات محصول انجام می گیرد. پس از انجام این مرحله ایده اولیه محصول (Product Concept) شکل می گیرد.
2-2-2 طراحی محصول (Product desing)
این مرحله شامل طرح های مختلفی از جمله طراحی های مکانیکی، الکترونیکی و … می باشد.
دراین مرحله فعالیت های طراحی دیگری شامل طراحی مربوط به مواد اولیه طراحی صنعتی و آنالیز مهندسی محصول صورت می گیرد. از نکاتی که در این مرحله می بایست به آن توجه نمود، می توان به موارد زیر اشاره نمود:
– طراحی یک محصول کارا و قابل اطمینان با ظاهر جذاب
– مساله انتخاب مواد
– ارگونومی محصول
– کارایی بهینه (به جهت بالانس نمودن هزینه های ساخت و قابلیت های محصول)
– تعمیر و نگهداری محصول و بازیابی محصول یا مواد اولیه آن پس از پایان عمر مفید
– سهولت ساخت
– حجم و نرخ تولید (شامل بررسی روشهای مختلف تولید)
– امکان تحقیق و توسعه محصول
3-2-2 آماده سازی مقدمات تولید (Product Preparation)
پس از اتمام مراحل مختلف مربوط به طراحی یک محصول می بایست مقدمات تولید شامل موارد زیر را آماده نمود:
– تهیه نقشه های اجرایی (از طریق ایجاد بانک های اطلاعاتی database)
– تعیین قطعات قابل ساخت در داخل و خارج سازمان تولیدی
– تعیین صورت حساب مواد (bill of material)
4-2-2 فعالیت های مهندسی ساخت (Manufacturing Egineering Activities)
این مرحله شامل تهیه قیدوبندها و راهنماهای مربوط به ساخت (Jig، Fixtrure، Guide و …)
و انجام اقداماتی در جهت سهولت ساخت با روش تولید موردنظر می باشد.
5-2-2 تحقیق و توسعه فرایند (Process research development)
این مرحله در یک چرخه تولیدی شامل موارد زیر می باشد:
– انتخاب فرایند مناسب تولید
– بهینه کردن فرایند (شامل توسعه فرآیندهای قدیمی یا خلق فرآیندهای جدید درکارخانه یا آزمایشگاه یا …)
– مدلسازی جهت کشف پارامترهای فرایند (شامل مدلهای فیزیکی و مدلهای ریاضی)
– درنظر گرفتن ملاحظات محیطی (شامل شرایط محیط زیست، آلودگی صوتی و …)
– فرایند نویسی
6-2-2 فرایند تولید (Processing)
در این مرحله وظایف اصلی مربوط به بخش ساخت (Manufacturing) انجام می گیرد.
بخشی از این وظایف عبارتند از:
– طراحی آرایش مناسب ماشین آلات
– تولید قطعات
– چک و کنترل رفتارهای بحرانی فرایند ، ابعاد و کیفیت
– انبار نمودن و حرکت و جابه جایی مواد خام اولیه، قطعات نیمه تمام و تمام شده، ابزارها وقالب و نهایتاً قیدوبندها
– مونتاژ قطعات
– کنترل کیفی محصول
7-2-2 سازمان تولید (Manufacturing Organization)
این مرحله شامل موارد زیر می باشد:
– تعیین مسیر مواد خام و ابزار
– برنامه زمان بندی برای رسیدن به محصول نهایی
– بررسی وضع تولید در شرایط فعلی
– زیرنظر گرفتن بار ماشین آلات
– به روز درآوردن صورت حساب ها و موجودی ها و … 0
– نظارت دائمی بربارگذاری و به کاربردن ماشین ها، چگونگی عملکرد ماشین آلات و نیروی کار
– تجزیه و تحلیل راندمان تولید
8-2-2 فرستادن محصولات به بیرون از کارخانه
این مرحله از چرخه تولید شامل بررسی و تعیین مقولات زیر می باشد:
– انبارداری و ثبت موجودی، فرستادن اطلاعات موجودی به بخش فروش(Inventory)
– بخش فروش و بازرگانی (شامل Invoicing ، Marketing و …)
– بخش حسابداری (Accounting)
– بخش حسابداری و حمل ونقل (Shipping)
9-2-2 خدمات پس از فروش (Costumer Service)
این مرحله جزئی از چرخه تولید می باشد که دوفایده اساسی دارد، یکی اینکه باعث اطمینان از رضایتخبشی کار محصولات داده شده به مشتری می گردد و دوم اینکه این مرحله باعث ایجاد نوعی سیستم تغذیه به عقب اطلاعات (Feed back data) جهت عیب یابی محصولات و بهینه نمودن آنان می گردد.
10-2-2 دور ریختن و بازیابی (Recycling disposal)
یکی از راهها جهت بالا بردن راندمان اقتصادی چرخه تولید ، بازیابی مواد اولیه محصولات تولیدی پس از پایان عمر مفید آنها واستفاده از این مواد در چرخه تولید می باشد. توجه به این نکته ضروری است که در کلیه مراحل بالا می توان از قابلیت های کامپیوتر استفاده نمود، لکن در مبحث فعلی عمدتاً به استفاده از کامپیوتر در مراحل طراحی و ساخت یک محصول پرداخته خواهد شد.
1-3-2 نقش کامپیوتر در طراحی و تولید
جهت پی بردن به نقش کامپیوتر در مراحل مختلف طراحی و تولید کافی است به برخی از مهمترین قابلیت های کامپیوتر اشاره نمود. (توجه شود که اکثر این قابلیت ها عمدتاً به صورت فعل و انفعالی interactive)) نمود می یابد که خود یکی از مزایای کامپیوتر می باشد).
این قابلیت ها عبارتند از:
– انجام محاسبات ریاضی حجیم ( شامل انواع محاسبات FEA در طراحی جامدات و CFD درطراحی سیالات و نهایتاً محاسبات بهینه سازی (Optimization)
– سرعت بالای انجام محاسبات
– قدرت بالای نگاره سازی وانیمیشن (Animation)
– ظرفیت بالای ذخیره سازی اطلاعات و سازماندهی اطلاعات و بازیابی مجدد آنها
– ایجاد مرتبه ای از هوشمندی
– قابلیت کنترل و هدایت ماشین آلات (شاملProcess Control,Process monitoring)
– یکنواختی و پایدار بودن (که بدین ترتیب تمام محصولات طراحی شده و ساخت شده توسط کامپیوتر یکسان خواهند بود).
– اقتصادی بودن طراحی یا ساخت کامپیوتر در عین قابلیت اطمینان بیشتر
– اتوماتیک نمودن کارهای روتین وتکراری
– جلوگیری از دوباره کاری و اتلاف زمان برای کارهای تکراری
– قابلیت برنامه نویسی بهینه فرآیندها
– ارتباط بین بخشهای طراحی و تولید و نقل وانتقال اطلاعات از طریق بانکهای اطلاعاتی
– عدم ارتکاب اشتباه و عدم خستگی ]رجوع به 3[.
2-3-2 مزایای به کارگیری تکنولوژی CAD/ACM
شاید بتوان گفت CAD/CAM یکی از مهمترین دستاوردهای تکنولوژی عصر حاضر است که مزایای به کارگیری آن را به طور خلاصه می توان چنین برشمرد:
– افزایش سرعت ودقت در طراحی و تولید
– کاهش زمان و هزینه آزمایشگاه
– ایجاد ارتباط تنگاتنگ بین واحد طراحی و واحدهای دیگر
– افزایش کیفیت محصولات و راندمان تولید
– ذخیره اطلاعات لازم و در نتیجه قابلیت تکرار تولید
– ساخت محصولات پیچیده تر
– انعطاف پذیری در تغییر و توسعه خط تولید و محصولات
فصل سوم:
مدلسازی و روش های آن
1-3
مقدمه:
تعریف و بیان شکل هندسی یک قطعه، اولین و آخرین گام از فعالیت های طراحی و مهندسی را تشکیل می دهد. درگذشته و به طور سنتی این کار توسط نقشه های اجرایی دوبعدی ترسیم شده توسط دست صورت می گرفته است.
امروزه با پیشرفت های حاصله در زمینه سخت افزار و توسعه نرم افزارهای قدرتمند گرافیکی، به آسانی می توان با استفاده از داده های شکل هندسی یک جسم، مدل کامپیوتری سه بعدی آن را تهیه کرد. منظور از مدل کامپیوتری ، بیان ریاضی شکل هندسی یک جسم در فضای سه بعدی و ذخیره آن در حافظه کامپیوتر است.
عمده ترین کاربردهای مدل سازی هندسی، به کارگیری آن در فعالیت های مختلف طراحی و ساخت به کمک کامپیوتر است. هنگامی که مدل هندسی قطعه ای توسط کامپیوتر تولید شد،اطلاعات آن به صورت یک فایل در حافظه دائمی کامپیوتر ذخیره می گردد. از طریق ایجاد تغییرات در مجموعه انباره داده های (data base) مربوط به جسم، می توان هرگونه تغییرات دلخواهی را در محیط نرم افزار بر روی این مدل اعمال نمود.
بنابراین از دید مهندسی و طراحی مطالعه تکنیک های جدید مدلسازی هندسی کامپیوتری توانایی ها وابزارهای قدرتمندی را در اختیار مهندسان و طراحان قرار می دهد که از آن می توانند در فعالیت های مختلف طراحی و آنالیز مهندسی و یا ساخت و تولیداستفاده نمایند. عملیاتی مانند ارزیابی طرحها و ایده ها، طراحی صنعتی، تهیه نقشه های اجرایی، انجام محاسبات طراحی و آنالیز به روش اجزاء محدود، شبیه سازی سینماتیکی و دینامیکی مکانیزمها و ماشین آلات ، تهیه برنامه NC جهت ماشین کاری و محاسبات سطح، حجم و خواص جرمی و دیگر مشخصات قطعه و یا محصول بدین روش قابل انجام است. از این طریق بهره وری و انعطاف پذیری فرایند طراحی و ساخت افزایش یافته و نوع کار آسان می شود.
2-3 ابعاد مدل هندسی
بسته به نیاز طراح و نیز توانایی سیستم CAD مورد استفاده ، ابعاد مدل هندسی برای بیان یک جسم فیزیکی در حافظه کامپیوتری به یکی از سه صورت زیر ذخیره می شود.
1-2-3 مدل دوبعدی (2D Malel) : که برای نقشه های اجرایی و نماهای جسم از دیدهای مختلف و یا ساخت اجسام تخت، مثلاً طراحی مسیر حرکت سیم در فرایند و ایرکات، به کار می رود.
2-2-3 مدل دو و نیم بعدی (21/2 D Model)
که برای قطعات با سطح مقطع ثابت، بدون دیواره های جانبی پیچیده، می تواند به کار گرفته شود. برای مثال، هر منشور یا کره می تواند توسط تعدادی دیسک شناخته شود.
3-2-2 مدل سه بعدی (3D Model)
که برای مدلسازی اجسام سه بعدی به کار می رود. در این مدل مختصات x,y,z هر نقطه ممکن است با نقطه مجاورش متفاوت باشد. کاربرد این روش مدلسازی در طراحی پره توربین، بدنه اتومبیل و … بسیار وسیع است.
3-3 انواع روشهای مدلسازی هندسی
به طور کلی در یک نرم افزار CAD بسته به توانایی های آن و ماهیت ساخت مدل در کامپیوتر، به سه روش می توان مدل هندسی یک جسم فیزیکی را تولید نمود.
1- مدل قاب سیمی (Wireframe Model)
2- مدل سطوح (Suface Model) یا مدل رویه ای یا پوسته ای
3- مدل حجمی (Solid Model) یا مدل توپر
1-1-3-3 مدل قاب سیمی (Wireframe Model)
در مدلسازی هندسی به روش قاب سمی (Wireframe Model) ، جسم توسط یالهایش بیان می شود. به عبارت دیگر فقط نقاط، خطوط، قوسها و منحنی هایی که یالهای جسم را در فضا تشکیل می دهند، در انباره داده های (data base) مربوط به قطعه در حافظه ذخیره شده و برای کامپیوتر قابل درک و شناسایی هستند. این روش پایین ترین سطح مدلسازی کامپیوتری اجسام است. و محدودیت های زیادی دارد که اغلب ناشی از نداشتن اطلاعات از هندسه جسم است. شکل
شماره 1 نمونه ای از این نوع مدلسازی را نشان می دهد.
از مزایای این نوع مدلسازی می توان به سادگی و آسان بودن تولید آن اشاره نمود. همچنین به دلیل اینکه این نوع مدل کمترین حجم حافظه را از کامپیوتر اشغال می کند، سریع تر ایجاد می شود و در نتیجه هزینه کمتری دربرخواهد داشت.
با استفاده از یک سیستم CAD که قابلیت مدلسازی به روش قاب سیمی را داشته باشد همچون مدول سه بعدی نرم افزار "Auto CAD" و یا نرم افزار "Anvil Express" فعالیت های مختلف طراحی و ساخت بکار گرفت.
2-1-3-3 برخی از محدودیت های این نوع مدل سازی را می توان به صورت زیر برشمرد:
این مدل حاوی کمترین اطلاعات از جسم است و بنابراین فقط برای اجسام با شکل هندسی ساده و غیر پیچیده قابل استفاده است.
– مدل قاب سیمی چون سطح و حجم جسم را نمی شناسند و داده های آنها را ندارند، قادر نیست سطوح و یا داخل و خارج جسم را از هم تمیز دهد. بنابراین از تشخیص مرز مشترک ما بین دوجسم متقاطع عاجز است.
– خواص فیزیکی جسم، همچون وزن، سطح مقطع، مرکز ثقل و ممان ایندسی را نیز نمی تواند، محاسبه کند.
– مدل قاب سیمی از یک جسم ممکن است، به گونه های مختلفی تفسیر شود.
3-1-3-3 برای ابهام زدایی از مدل قاب سیمی و برای اینکه این نوع مدل، جسم را به صورت یکه بیان کند، لازم است یکی از دوعملیات زیر در مورد جسم بکار گرفته شود:
1. استفاده از خطوط بریده(خط چین) برای نمایش خطوط نامرئی
2. بکارگیری تکنیکهای حذف خطوط نامرئی (Hidden Line Removal)
4-1-3-3 مهمترین زمینه های کاربرد نرم افزارهای مدلسازی به روش قاب سیمی عبارتند از:
1. تهیه نقشه های اجرایی
2. ایجاد شبکه (MESH) برای آنالیز اجزاء محدود (F.E.A)
3. تهیه مسیر ابزار برش برای ماشینکاری CNC
5-1-3-3 اجزای قاب سیمی (Wireframe Entities)
اجزای تشکیل دهنده یک قاب سیمی در سیستمهای CAD/CAM بر دو دسته هستند:
الف) اجزاء تحلیلی (Analytic Entities) : مانند نقطه (Point) خط (line) ، قوس (Arc) و منحنی های مقاطع مخروطی مانند، بیضی، سهمی و هندلولی. این نوع اجزاء برای ساختن مدل هندسی قطعات ساده استفاده می شوند.
ب) اجزاء مصنوعی(Synthetic Entities): مانند انواع قطعه منحنی های اتصالی
(Cubic-Spline, B-Spline) و منحنی های بزییر (Bezier)
1-2-3-3 مدلسازی سطوح (Suface Modeling)
به سیستمهای CAD که توانایی توصیف سطوح یک جسم را داشته باشند، مدلساز سطوح (Surface Model) می گویند. در این حالت در مقایسه با روش قاب سیمی، حجم بیشتری از اطلاعات در فایل داده های مربوط به جسم در کامپیوتر ذخیره می شود. یک مدل سطوح را می توان به کمک تعریف سطوح روی یک قاب سیمی (Wire frame) ساخت. این عمل را می توان با عمل کشیدن پارچه و یا روکش روی مدل قاب سیمی تشبیه کرد.
یک مدل سطوح می تواند بسیاری از ابهاماتی که در مدل قاب سیمی وجود داشت را برطرف کند. شکل شماره 2 یک نمونه، مدل Surface model را نشان می دهد:
به طور کلی مدلسازی سطوح؛ کاملتر، پیشرفته تر از مدل قاب سیمی و ارزان تر از مدل حجمی است.
2-2-3-3 محدویت های این مدلسازی عبارتند از:
1. ساختار داده ها پیچیده تر و در نتیجه محاسبات ریاضی حجیم تر و مشکل ترند.
2. نیاز به حجم بیشتری از حافظه کامپیوتر و ظرفیت ذخیره اطلاعات وجود دارد.
3. سرعت فرایند به دلیل حجم زیاد داده ها و محاسبات کندتر است.
4. نیاز به سخت افزار کامپیوتری با سرعت بالا وجود دارد.
5. پرهزینه تر است.
6. تنها حاوی اطلاعات سطح می باشد و از داخل جسم خبر نمی دهد و قادر به انجام محاسبات جرمی نیست.
3-2-3-3 کاربردهای مدلسازی سطوح عبارتند از:
1. تهیه تصویر پرسپکتیو
2. ایجاد شبکه (mesh) برای آنالیز اجزاء محدود یا آنالیز اجزاء مرزی
3. مدلسازی اجسامی که نیاز به اطلاعات داخل حجم ندارند.
4. تهیه مسیر حرکت ابزار برش جهت ماشین کاری CNC.
4-2-3-3 روشهای مختلف تعریف و ساختن سطوح:
در مدلسازی سطوح، سطوح جسم می بایست بکمک معادلات ریاضی بیان شده و با استفاده از گرافیک برداری سه بعدی نمایش داده شود. انواع سطوحی که در مدلسازی سطوح به کار می روند، به شرح زیر هستند:
1-4-2-3-3 سطح تحلیلی (Analytic Surface)
انواع سطوحی که توسط یک رابطه تحلیلی که مختصات هر نقطه از سطح را به هم ربط می دهد، قابل تعریف هستند، مانند کره و استوانه
2-4-2-3-3 جاروب کردن خطی (linear Sweep)
در این روش پروفیلی را در امتداد یک محور حرکت داده تا شکل موردنظر حاصل شود.
3-4-2-3 جاروب کردن دورانی (Rotaional Sweep)
در این روش، پروفیلی را حول یک محور دوران می دهیم که شکل موردنظر حاصل شود.
4-4-2-3-3 جاروب کردن ترکیبی (Combined Sweeping )
ترکیبی از دو روش جاروب خطی و جاروب دورانی است.
5-4-2-3-3 سطح ریلی (Ruled Surface)
سطحی که از طریق اتصال دو پروفیل ابتدا و انتهایی توسط خطوط راست حاصل می شود.
6-4-2-3-3 سطح جاروبی تطبیقی (loft surface)
سطحی که از طریق اتصال دو پروفیل ابتدا و انتهایی توسط جاروب یک مسیر منحنی حاصل می شود.
7-4-2-3-3 سطح مصنوعی (Synthetic Surface)
این سطوح برای مدلسازی سطوح پیچیده به کار می رود. برای مثال سطح یک پره توربین ویا سطوح بدنه خودرو، هواپیما و یا کشتی که از پیچیدگی بالایی برخوردارند، به این روش تعریف می شوند.
1-3-3-3 مدلسازی حجمی (Solid Modeling)
مدلسازی حجیمی یا توپر (Solid Modeling) ، پیشرفته ترین و کامل ترین نوع مدلسازی هندسی اجسام است و بیشترین اطلاعات را در مورد اجسام در اختیار طراح می گذارد. در این روش مدلسازی کامپیوتر علاوه براجزای هندسی قبلی یعنی نقطه (point) ، خط (line)، قوس (Arc) منحنی (Curve) و پینه (Patch) ، اجزای هندسی توپر (Solid) را نیز به عنوان یک جزء می شناسند و درک می کند. در این نوع مدل سازی چون کامپیوتری احجام رامی شناسد و درک می کند، به آسانی قادر است محاسباتی حجمی و خواص جرمی جسم، مانند حجم ، وزن ، مرکز ثقل یا مرکز هندسی، ممان اینرسی و پایداری و … را انجام دهد.
لازم به ذکر است که عمل های سایه زنی (Shading) و نورپردازی(Rendering) روی مدل سطوح و یا قاب سیمی از یک جسم نباید با مدل سازی حجمی یکسان تصور شود. اگرچه محصول این دو تکنیک فقط به لحاظ ظاهری با مدل حجمی یکسان به نظر می رسد، اما اگر درهر کجای جسم مقطع زده شود، درون جسم هیچ چیز یافت نمی شود. درحالی که در مدل حجمی، هرجایی از جسم را می توان برش زد و جزئیات داخلی آن را بطور دقیق مشاهده نمود.
در شکل زیر نمونه ای از این نوع مدلسازی نشان داده شده است:
2-3-3-3 – این نوع مدلسازی به دلیل دارا بودن توانمندی های زیاد، امروزه کاربردهای متعددی در فعالیت های طراحی و ساخت پیدا نموده است که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:
– بیان طرح ها و ایده های طراحان و تبادل آنها و نیز طراحی صنعتی
– محاسبه خواص جرمی و انجام محاسبات مختلف حجمی
– ایجاد مدل هندسی و شبکه برای آنالیز مهندسی به روش های اجزا مرزی و یا آنالیز اجزاء محدود
– مونتاژ قطعات واجزاء ماشین آلات و بررسی مونتاژ پذیری و کنترل کیفی
– استخراج نقشه های اجرایی وتصاویر پرسپکتیو
– تهیه داده های مسیر حرکت ابزار در ماشینکاری CNC
– شبیه سازی سینماتیکی و دینامیکی مکانیزم ها و ماشین آلات
3-3-3-3 روش های ساختن مدل حجمی
بسته به پیچیدگی های هندسی یک قطعه، روش های مختلفی برای تهیه مدل حجمی آن وجود دارد که در ادامه به آن می پردازیم:
1-3-3-3-3 جاروب خطی (linear Sweep) و یا اکسترود(Exturude)
در این روش سطح مبنا در راستای خطی مستقیم حرکت داده می شود. دراثر این کار حجمی در فضا جاروب می شود که مدل حجمی جسم موردنظر را می سازد.
2-3-3-3 -3 جارو دورانی (Rotational Sweep) و یا Revolve
دراین روش سطح مبنا حول یک محور دوران داده می شود. دراثر این کار حجمی در فضا جاروب می شود که مدل توپر جسم مورد نظر را می سازد.
3-3-3-3-3 جاروب ترکیبی (linear and Rotational Sweep)
در این روش سطح مبنا ترکیبی از جاروب خطی ودورانی را طی نموده و مدل حجمی را می سازد.
4-3-3-3-3 مدل سازی عنصری (premitive Modeling)
در این روش عناصر اولیه در حافظه کامپیوتری ذخیره شده و به هنگام لزوم مورد استفاده قرار می گیرند.
به این نوع مدلسازی CGS (Constractive Solid Geometry) می گویند . اساس آن براین استوار است که عناصر حجمی یا اجزاء مدل سازی حجمی (Premitives) مانند آجرهایی که یک ساختمان را می سازند به کمک عملیات ریاضی منطقی(Boolian Operation) با هم ترکیب شده تا جسم مطلوب را تولید نمایند.
عملیات ریاضی منطقی boolian Operation (جبر بول) عبارتند از: اجتماع (Union)، تفاضل (Difference) و اشتراک (Intersection).
با ترکیب دوعنصر از این طریق، حجم جدیدی حاصل می شود که دیگر هیچگونه ارتباطی با اجزاء تشکیل دهنده خود ندارند و با حالت مونتاژ دو جسم کاملاً متفاوت است.
5-3-3-3-3 مدلسازی کرانه ای (Boundary Modeling)
مدلسازی کرانه ای که اصلاحاً به روش B-Rep(Boundary Representation) نیز معروف است، جسم را به عنون حجمی که از اطراف توسط سطوحی محبوس شده است درنظر گرفته و مدل حجمی آن رامی سازد. در این روش مدل حجمی جسم برپایه دونوع اطلاعات هندسی تعریف می شود:
1- داده های توپر (Topilogic Data): که فقط نحوه اتصال گوشه ها، یال ها و سطح های جانبی را در جسم توصیف می کنند. تا موقعی که به این قسمت اطلاعات ابعادی اضافه نشود، جسم به صورت یکه تعریف نمی شود.
2- داده های ابعادی (Geometric Data): ابعاد و موقعیت گوشه ها، یالها و سطوح را در فضا تعیین می کند و تا موقعی که این اطلاعات به مدل اضافه نشود، جسم به صورت یکه تعریف نمی شود. در روش مدلسازی کرانه ای داده های مربوط به لبه ها و وجوه جسم ذخیره می شود. این کار باعث تسریح در فراخواندن اطلاعات در کاربردهایی مانند دیدن مدل از زوایای مختلف و یا تهیه نماهای مختلف از مدل می شود. تنها عیب این روش حجم زیاد اطلاعات مدل ایجاد شده با این روش می باشد.
به طور کلی در سیستم های CAD/CAM استفاده از روش مدلسازی کرانه ای به سه علت زیر ارجحیت دارد:
الف-محدودیت در مدل سازی اجسام پیچیده در مدل سازی با روش CGS، وجود ندارد.
ب- تبدیل مدل CGS به B-Rep نسبتاً ساده است اما عکس آن صادق نیست والگوریتم ساده و معمولی ای برای این کار وجود ندارد.
ج- به علت اینکه مدل سازی B-Rep شامل اطلاعات وجوه (سطوح) و لبه ها می باشد، تغییر حالت نمایش مدل بین وضعیت های مدل قاب سیم وار، مدل سطوح و مدل حجمی به راحتی امکان پذیر می باشد. اما در مورد مدل CGS این طور نیست. ]رجوع به 5 و 6[.
فصل چهارم:
ساخت به کمک کامپیوتر CAM
1-4- مقدمه
استفاده از یک سیستم طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) بدون استفاده از سیستم ساخت به کمک کامپیوتر(CAM) علاوه برپایین آوردن راندمان کل سیستم تولید باعث از دست رفتن برخی از مزایای CAD که در قسمت قبل توضیح داده شده نیز می گردد. بنا به تعریف CAM عبارت است از کاربرد کامپیوتر در کلیه فعالیتهای برنامه ریزی، ساخت، مدیریت و کنترل عملیات تولید در یک مجتمع تولیدی یا کارخانه.
با توجه به تعاریف بالا و زمینه های متنوع عملیاتی که در یک سیستم CAM قابل تعریف می باشد به نظر می رسد که دامنه استفاده از کامپیوتر در فعالیت های مختلف ساخت وتولید بسیار وسیعتر از دامنه استفاده از کامپیوتر در فعالیتهای طراحی می باشد.
در قسمتهای بعد به طور خلاصه قسمتهای مختلف در یک سیستم CAM توضیح داده خواهد شد. لکن جهت شمردن برخی مزایای کلی یک سیستم CAM آن هم صرفاً برای تولید یک قطعه می توان به نکات زیر اشاره نمود:
الف- تهیه برنامه CNC برای تولید قطعات
ب- تدوین فرایند ساخت به کمک کامپیوتر
ج) طراحی و ساخت قیدوبندها برای تولید محصول
د) کمک در تدوین لیست مونتاژی قطعات برای بخش تولید
ه) زمان تولیدی کمتر با توجه به برنامه ریزی تولیدی بهتر
و) بازرسی و کنترل کیفیت به کمک کامپیوتر
ز) تدوین برنامه برای رباتهای مورد نیاز
ح) استفاده از تکنولوژی گروهی (Group Tech)
2-4- کاربرد کامپیوتر در فعالیت های ساخت و تولید
در یک تقسیم بندی عمومی استفاده از کامپیوتر در فعالیت های ساخت و تولید تحت دو مقوله کلی زیر قرار دارد:
1) کنترل
2) کیفیت
1-2-4 – کنترل
در آن دسته از فعالیتهای ساخت و تولید که جهت کنترل از کامپیوتر استفاده می شود عملاً کامپیوتر به صورت مستقیم به فرایند و تجهیزات تولید اتصال می یابد. در حقیقت این کنترل به نوعی زیرنظر داشتن عملیات فیزیکی در طی فرایند تولید می باشد. فعالیتهای این بخش خود به دودسته زیر تقسیم می گردند:
الف) کنترل عملیات تولید(Shop-floor control)
در صورتی که هدف از کنترل عملیات تولید، زیرنظر داشتن وضعیت کلی فرایند و ابزار تولید باشد، اصطلاحاً آن را Computer monitoring می نامند. در این عملیات کار صرفاً محدود به جمع آوری اطلاعات تولید می باشد و کنترل فرایند در دست انسان می باشد که با استفاده از اطلاعات جمع آوری شده توسط کامپیوتر تصمیمات مناسبی اتخاذ می نماید به عبارت دیگر در این نوع عملیات حرکت اطلاعات یک جانبه (از فرایند و ابزار تولید به طرف کامپیوتر) می باشد. در صورتی که هدف از کنترل عملیات علاوه بر زیرنظرداشتن فرایند و ابزار تولید اعمال کنترل و انجام تصحیحاتی در فرایند یا ابزار تولید نیز باشد، اصطلاحاً آن را Computer Control می نامند. در این عملیات حرکت اطلاعات دوجانبه می باشد. بدین صورت که سیگنالهایی از فرایند و ابزار تولید به کامپیوتر منتقل می شود و کامپیوتر نیز فرامینی را براساس آلگوریتم های کنترل موجود در نرم افزار به صورت سیگنال مستقیماً به فرایند یا ابزار تولید می فرستد.
ب) کنترل فرایند (Process control)
این بخش از عملیات یک سیستم CAM را می توان زیرشاخه ای از عملیات انجام شده تحت عنوان کنترل کامپیوتری (Computer control) نیز به حساب آورد با این تفاوت که در این بخش از عملیات توجه صرفاً محدود به تولید قطعه می باشد(نه مباحث کلی تری چون مدیریت تولید، برنامه ریزی تولید و …)
برخی از زمینه های عملیاتی این بخش عبارتند از:
– کنترل عددی
فعالیتهای انجام گرفته در این شاخه در واقع آغاز گر و زمینه ساز یک سیستم تکامل CAM می باشد. پیدایش این شاخه به اختراع ماشینهای NC و نهایتاً تکامل آنها به صورت ماشینهای CNC برمی گردد. ماشینهایی که کنترل حرکات آنها از طریق کامپیوتر و به کمک زبانهای برنامه نویسی خاصی چون SPLIT,UNIAPT,EXAPT,ATP می باشد که تمامی این زبانهای برنامه نویسی نهایتاً حرکات یک ماشین ابزار را به هنگام قطعه زنی از شکل ریاضی آن به صورت کدهای NC که برای واحد کنترل (Control unit) ماشین قابل فهم باشد در می آورد. در واقع نقش اصلی این شاخه از عملیات کنترل فرایند دریافت اطلاعات کافی از سیستمهای CAD در رابطه با طراحی قطعه، آنالیز نمودن این اطلاعات و نهایتاً تهیه برنامه های ماشینکاری و تولید قطعه می باشد.
در شکل پیشرفته تر، از ماشینهای ابزار DNC استفاده می شود بدین ترتیب که کامپیوتر دیگر صرفاً کار تهیه NC کد را برعهده ندارد بلکه با انجام فراپردازشی روی اطلاعات تولید شده در مرحله اولیه توسط کامپیوتر کار انتقال مستقیم اطلاعات به ماشین ابزار نیز از طریق اتصال کامپیوتر به ماشین انجام می گردد.
2-2-4- بازرسی و کنترل کیفیت
از مهمترین مراحل در تولید یک قطعه مرحله بررسی کیفیت قطعه تولید شده می باشد. دقیقاً از همان زمانی که بشر نیاز به قطعه سازی پیدا نمود نیاز به کنترل کیفیت قطعات تولیدی نیز ایجاد گردید. روشهای کنترل کیفیت قطعات در ابتدا به صورت دستی و از طریق مشاهدات چشمی صورت می گرفت اما با پیشرفت روشها و تکنولوژی علی الخصوص پیشرفت دانش کامپیوتر، در کنترل کیفیت قطعات نیز از کامپیوتر استفاده گردید. بررسی هرگونه بازرسی و کنترل کیفیت قطعات علی الخصوص در روشهای تولید انبوه محتاج به شناخت مباحث آماری، تئوریهای مربوط به نمونه برداری و دسترسی تصادفی (random access) می باشد، که از ظرفیت بحث موجود خارج می باشد. لکن در اینجا صرفاً به بعضی از مزایای استفاده از کامپیوتر در بررسی کنترل کیفیت قطعات و خارج نمودن نقش عامل انسانی از این عملیات اشاره می گردد. برخی از این مزایا عبارتند از:
– جلوگیری از اتلاف زمان و رسیدن به برنامه های زمانبندی تولید(به علت بالا بودن سرعت کامپیوتر)
– دقیق بودن عملیات کنترل کیفی (به لحاظ وجود معیارهای عددی وهرچه کمرنگ شدن نقش قضاوت انسانی)
– انجام عملیات کنترل کیفی همزمان با تولید قطعه (که باعث کاهش قطعات اسقاط، صرفه جویی در وقت و هزینه ها می گردد)
– حذف فرآیندهای کنترل کیفی دستی (که خود یکی از وقت گیرترین و هزینه برترین قسمتهای تولید یک محصول است)
کیفیت یک قطعه را معمولاً به دو روش عمومی زیر کنترل می نمایند.
الفـ ـ روش بازرسی ومشاهدات (Inspection)
ب ـ روش انجام آزمایش (عمدتاً آزمایش غیرمخرب)
روش اول یعنی روش بازرسی و مشاهده معمولاً به دوصورت تماسی و غیرتماسی انجام می گردد و مبتنی براستفاده از تکنولوژی روبه گسترش استفاده از حسا سه ها (Sensor) می باشد.
در این روش معمولاً آزمایشاتی روی اجزاء تشکیل دهنده یک مولفه انجام می گردد تا از مطابقت داشتن آن اجزا با استانداردهای مربوطه مطمئن شد. برای یک قطعه مکانیکی این آزمایشات عمدتاً روی کنترل ابعاد قطعه متمرکز می شود. اصولاً بازرسی و مشاهده برای کنترل کیفیت قطعات در مواردی مطرح می شود که عدم وجود بازرسی و کنترل کیفیت هزینه هایی بسیار بیشتر از وجود آن به سیستم تولید تحمیل می نماید (مثلاً وجود قطعات اسقاط، دوباره کاریها و …) برخی از موارد عمومی که انجام بازرسی و مشاهدات کنترل کیفی در آن ضروری می باشد، عبارتند از:
– مرحله ورود مواد خام
– مراحل مختلف ساخت قطعه (به هنگام انتقال قطعه از یک بخش به بخش دیگر تولید)
– پس از اتمام فرایند ساخت قطعه
– قبل از بارگیری یا مونتاژ نهایی محصول
تفاوت روش دوم کنترل کیفی که انجام آزمایشات روی قطعه می باشد با روش اول در نوع نگرش به کنترل کیفیت می باشد. در روش دوم کنترل کیفی آزمایشات بجای اینکه روی قطعات و اجزاء تشکیل دهنده محصول انجام گیرد روی محصول نهایی انجام می گردد. این آزمایشات شامل انجام مطالعات و مشاهداتی روی چگونگی عملکرد محصول نهایی در شرائط واقعی یا شرائط مشابه سازی شده می باشد. برخی از آزمایشات که مربوطه به روش دوم کنترل کیفی می گردد به شرح زیر است:
– آزمایشات ساده کاری روی محصول در شرائط عملیاتی واقعی یا مشابه سازی شده
– آزمایشات کار روی محصول در شرائط نهایی و خطرناک (که معمولاً برای آن شرائط طراحی نگردیده است و اثرات زیانباری روی محصول ایجاد می گردد).
– آزمایشات خستگی و فرسایش جهت تعیین اینکه محصول چقدر عمر نموده و تحت چه شرائطی دچار شکست می گردد.
– آزمایشات فوق بحرانی(مثلاً بارگذاری بیش از حد یا …) جهت تعیین ضریب اطمینان، شرائط ساخت محصول و ضرایب اطمینانها در شرایط متفاوت (نظیر تغییرات درجه حرارت، رطوبت) نوع دیگری از آزمایشات در روش دوم کنترل کیفی، آزمایشات مخرب می باشد که معمولاً روی مواد خام اولیه یا نهایتاً روی اجزا وقطعات محصول صورت می گیرد. (نظیر انجام آزمایشات کشش و …) چنانکه قبلاً توضیح داده شد اصولاً دو روش کلی برای بازرسی و کنترل کیفیت محصول ساخته شده وجود دارد:
1- روش تماسی: از مهمترین ابزارهای اندازه گیری و بررسی کنترل کیفیت به این روش، می توان از ماشین CMM (Coordinate Measuring Machine) و پروبهای مکانیکی نام برد.
2- روش غیرتماسی: ابزار کنترل کیفیت مبتنی بر این روش خود از دوتکنیک جداگانه زیر استفاده می نمایند:
– تکنیکهای نوری: از ابزارهای اندازه گیری مبتنی براین تکنیک می توان به ماشینهای دید (که کار پردازش تصاویر را نیز انجام می دهند)، ابزارهای کاوشگر یا پرتوهای لیزری.
(Scaning laser beam devices) و دستگاههای فتوگرامتری (photogrammetry) اشاره نمود.
– تکنیکهای غیرنوری: در ابزارهای اندازه گیری که تکنیکهای نوری استفاده نمی گردد عمدتاً از تکنیکهای مربوط به میدانهای الکتریکی یا تکنیکهای مربوط به تشعشع و یا روشهای اولتراسونیک استفاده می شود.
3-4- برنامه ریزی تولید
بخش بزرگی از فعالیتهای موجود در فرایند ساخت و تولید یک محصول بخش نرم افزاری می باشد که طی آن کامپیوتر مستقیماً به فرایند و تجهیزات تولید متصل نمی گردد بلکه از طریق تدوین نرم افزارهایی که عملیات مربوط به پشتیبانی تولید (Manufacturing Support) مستقیماً توسط کامپیوتر انجام می گردد. از عمده ترین فعالیتهای این بخش می توان به موارد زیر اشاره نمود:
– برنامه ریزی زمان بندی اصلی
– برنامه ریزی زمان بندی پیمانکاران بیرونی (برای تولید محصول)
– برنامه ریزی ظرفیت مورد نیاز
– برنامه ریزی تولید (شامل گزارشهای پیشرفت کار، انحرافات از برنامه زمان بندی)
– مدیریت موجودی (MRP:Material requirement Planning)
این بخش شامل مسائل انبارداری، تعیین قطعات ساخته، نیم ساخته و … می باشد.
– برنامه ریزی منابع تولید (MRP II: Manufacturing resource Planning)
این بخش شامل مسائل مربوط به مواد خام اولیه، ابزار و دستگاهها و تعمیر ونگهداری می باشد.
– برنامه نویسی قطعه (NC-Part programming)
این بخش شامل دو روش برنامه نویسی دستی یا برنامه نوسی اتوماتیک جهت تهیه G کدها یا سایر کدهای برنامه نویسی لازم برای ماشینهای CNC می باشد.
– برنامه نویسی فرایند (CAPP: Computer Aided Process planning)
در این بخش کار تدوین فرایند ساخت و تدوین دستورالعملهای فنی لازم انجام می گیرد. علاوه بر آن برگه های "route sheet" که کلیه مراحل عملیات، ماشین آلات لازم و قالب بندیها را توضیح می دهد، در این مرحله تدوین می گردد.
– تخمین هزینه ها
در این بخش میزان کار، میزان کل هزینه ها شامل هزینه های بالاسری (Iowerhead) و… تعیین می گردد.
– تهیه استانداردهای کاری
عمده ترین فعالیت این بخش تدوین برنامه های مربوط به زمان سنجی می باشد.
– بالانس خط تولید
دراین بخش کار متعادل کردن بار کاری روی هریک از ماشینها و جلوگیری از ایجاد بار زیاد کاری یا بیکار ماندن بخشی از ماشینهای موجود در سیستم تولیدی انجام می گردد.
– تدوین نرم افزارهای سیستم های تولیدی پیشرفته
در این بخش کار تدوین نرم افزارهایی برای سیستمهای تولیدی پیشرفته نظیر سیستم های خبره (Expert system) یا سیستم های تولیدی دارای هوش مصنوعی (Artifical Intelligence) انجام می گیرد ] رجوع به 3[.
4-4- نرم افزارهایی که درتولید استفاده می شوند:
در این قسمت به نمونه هایی از نرم افزارهایی که در CAD/CAM استفاد می شوند، اشاره شده است.
1-4-4- ANSYS:
ANSYS یک نرم افزار جامع در زمینه طراحی اجزاء محدود (Finint Element modeling) است، که به منظور حل عددی مسائل گوناگون رشته های مهندسی مکانیک و برق و عمران مورد استفاد دانشجویان و مهندسین قرار می گیرد. کاربرد این نرم افزار در حل مسائل خطی وغیرخطی در زمینه مدل سازی، تحلیل های استاتیکی، مقاومتی، دینامیکی، ارتعاشی و بهینه سازی طرح ها و همچنین تحلیل و آنالیز رفتار قطعات و محاسبه خستگی، بررسی توزیع تنش و اثرات آن تحت بارگزاری های گوناگون است. این نرم افزار به طور مطلق برای تحلیل به کار می رود و عملیات طراحی مدل ومونتاژ توسط این نرم افزار امکان پذیر نیست.
2-4-4- Archi CAD:
این نرم افزار قوی ترین نرم افزار طراحی و نقشه کشی ساختمان می باشد. از مشخصات بارز این نرم افزار محیط بسیار کارآمد در زمینه طراحی و نقشه کشی با ابزارهای کامل جهت طراحی دوبعدی و سه بعدی می باشد. وجه تمایز این نرم افزار از سایر نرم افزارهای مشابه گروه CAD سهولت دسترسی به تمام ابزارهای طراحی است.
از دیگر توانمندیهای بارز این نرم افزار، امکان گرفتن خروجی های سه بعدی و ساخت انیمیشن های بسیار کامل از نماها و پلان های طراحی شده است. هم چنین این نرم افزار قادر به انجام کلیه عملیات متر و محاسبه با جداول تفضیلی می باشد. و از سوی دیگر امکان گرفتن هرگونه پلات و پرینت از هر سطح مقطعی در این نرم افزار امکان پذیر است.
3-4-4- Auto CAD
این نرم افزار از قدیمی ترین و مشهورترین نرم افزارهای طراحی و مهندسی برای طراحی پلان های دوبعدی و یا نقشه های سه بعدی می باشد. کاربران عمده آن مهندسان عمران، مکانیک و برق می باشند.
4-4-4- CAD CAM
CAD (Computer Aided Desing) ،اصطلاحی است برای نمونه هایی که در طراحی مدل های مهندسی، معماری و علمی از ابزار ساده گرفته تا ساختمان ها، هواپیماها مدارهای مجتمع و مدل های مولکولی کاربرد دارد. برنامه های کاربردی مختلف CAD طرح هایی را به شکل دو یا سه بعدی به صورت اسکلت بندی یا با سطوح رنگ آمیزی شده ارائه می دهد. اما CAD/CAM اصطلاحی است برای کامپیوترهایی که در طراحی وساخت محصولات مورد استفاده قرار می گیرد.
در این سیستم طراحی محصول توسط برنامه CAD صورت گرفته و سپس طرح کامل شده به یک سری دستورالعمل ترجمه می شود که برای ماشین های ساخت، مونتاژ و کنترل کننده قابل استفاده باشند.
5-4-4- Catia:
این نرم افزار در کنار نرم افزار Pro/Engineer از جمله قوی ترین نرم افزارهای پیشرفته در زمینه طراحی، شبیه سازی و مونتاژ قطعات به ویژه در محیط سه بعدی می باشد. مسایل مربوط به شبیه سازی، بررسی اثر باد و فشارهای مختلف و نیز محاسبات تنش و خستگی و بسیاری از محاسبات پیچیده دیگر توسط این نرم افزار قابل بررسی و محاسبه است. از ویژگی های بارز این نرم افزار توانایی کدنویسی برای دستگاههای CNC می باشد.
6-4-4- Mechanical Desktop
این نرم افزار انعطاف پذیر از شرکت Autodesk برای مدلسازی سه بعدی است که به همراه بسته نرم افزار Auto CAD 2004 عرضه شده است. این نرم افزار منحصراً برای مدلسازی بکار می رود و علاوه بر اینکه محیطی کاربرپسند، نظیر Solidworks و سایر نرم افزارهای طراحی سه بعدی ندارد، قادر به تحلیل قطعات هم نیست. ولی با این وجود به دلیل ارتباط و همخوانی این نرم افزار با Auto CAD و ویژگیهای استفاده از محیط نرم افزار یاد شده، مخاطبین زیادی در گروه نرم افزارهای Auto CAD دارد.
7-4-4 – Powet Mill:
Power mill یک نرم افزار (Computer Aided Manufacturing) CAM می باشد و قابلیت آن تولید G کدهای مورد نیاز دستگاههای CNC است، برای ماشین کاری یک قطعه مدل شده، G کدها مستقیماً توسط یک فایل به دستگاه CNC منتقل می گردند. در این نرم افزار پس از مدلسازی قطعه موردنظر و تعیین استراتژی های ماشین کاری و مشخص نمودن نوع دستکاه CNC، می توان کدهای ماشین کاری را تولید کرد.
8-4-4- Solid Works:
این نرم افزار قادر به مدلسازی و مونتاژ و طراحی، قطعات پیچیده صنعتی و استخراج نقشه های مرحله ای است . مسائل مربوط به طراحی دوبعدی، طراحی قطعه پیچیده و چند پروفیله، طراحی مدل های سطحی، طراحی قالب، ویرایش و جلوه دهی از جمله قابلیت های این نرم افزار است . همچنین صرف مدت زمان کوتاه تر برای طراحی، صرفه جویی اقتصادی در هزینه های توسعه طرح ها و صرفه جویی در زمان تکامل پروژه به منابع کمتر در طراحی و داشتن محیطی کاربرپسند، از محسنات این نرم افزار نسبت به نرم افزارهای مدلسازی و مونتاژ قطعات صنعتی است. البته این نرم افزار، برخلاف نرم افزارهای دیگر طراحی مانند: Pro/Engineer و CATTA قادر به تحلیل قطعه و محاسبه تنش و خستگی در حد محدودتری است ]رجوع به 7[.
فصل پنجم
مدلسازی قطعه مورد نظر
برای مدلسازی قطعه مورد نظر، از نرم افزارهای Solid works و Mechanical Descktop استفاده شده است. برای این کار مراحل زیر انجام شد:
1-5-تهیه نقشه قطعه مورد نظر:
که این کار، طرحی دو بعدی از قطعه مورد نظر، تهیه شد. که در شکل زیر این طرح نشان داده شده است.
2-5-استفاده از نرم افزار Mechanical Desktop:
در این مرحله مورد نظر را به محیط کاری Mechanical Desktop فراخوانی کردیم، و سپس نقاط Kritical قطعه مورد نظر، که برای کشیدن طرح سه بعدی قطعه لازم بود را استخراج کردیم. که در شکل زیر نشان داده شده است:
همانگونه که در شکل نیز پیدا است، در این مرحله یک نمای دو بعدی از سطح قطعه در نرم افزار Mechanical Desktop تهیه شد. حال یک طرح دو بعدی از قطعه مورد نظر در محیط Mechanical Desktop تهیه شده است، که در شکل نیز مشخص است.
3-5-طراحی قطعه مورد نظر در محیط Solid works:
پس از آنکه طرح دو بعدی تهیه شده در مرحله بالا، به محیط Solid works فراخوانی شد، ابتدا سعی شد که اندازه های قطعه مورد بررسی قرار گیرد که این امر با دستور Smart Dimension انجام گرفت. در مرحله بعد با استفاده از دستور Extended Boss / Base به مدل دو بعدی ایجاد شده حجم داده شد که در شکل زیر تصویری از این مرحله نشان داده شده است این نرم افزار دارای قابلیت های زیادی می باشد که ما در مدلسازی از آن استفاده کردیم، از قبیل دوران مول در جهات مختلف که در شکل زیر مدل از نمای دیگری نشان داده شده است. و همچنین اعمال قید، که در مورد این قطعه که نیاز بود، جسمی با شکل موزون و دارای یالهای موازی و با زوایای خاص ایجاد شود، توسط دستور Add Relation مورد استفاده قرار گرفت. همچنین قسمتهایی از قطعه لازم بود که به طور کاملاً متقارن باشند، که این امر هم با استفاده از دستور Mirror Entities انجام شد. بعد از اینکه مدل مورد نظر حاظر شد، لازم بود که نقاط نیز در قطعه، با استفاده از دستور Fillet، اصلاح شود. که ما برای این مدل از چند نوع Fillet با توجه به محل قرارگیری آن استفاده کردیم. که در شکل زیر قطعه نهایی به همراه Fillet های اعمالی نشان داده شده است.
4-5-تهیه نقشه استاندارد قطعه مورد نظر:
یکی از قابلیت های این نرم، امکان دادن نقشه دوبعدی از سه نمای قطعه می باشد. که این امر با استفاده از دستور Made Drawing from part انجام شد که در شکل زیر نقشه سه نمای قطعه نشان داده شده است.
فصل ششم:
نوشتن G. Code برای ساخت قطعه مورد نظر:
پس از آنکه مدل قطعه مورد نظر آماده شد؛ حال در این مرحله با استفاده از نرم افزار Power Mill اقدام به تهیه برنامه ماشینکاری قطعه مورد نظر می نماییم.
حال برای آشنایی بیشتر با این مرحله، مراحل مختلف را با تصویر مربوط به آن آورده ایم.
ابتدا نرم افزار Power Mill را فراخوانی می کنیم، که نمای منوی اصلی آن مطابق شکل زیر است. در مرحله بعد با انتخاب دستور Import Model از منوی File، قادر خواهیم بود که مول تهیه شده را در نرم افزار Power Mill باز کنیم. که این مرحله در شکل زیر نشان داده شده است.
پس از ظاهر شدن مول، باید قالبی انتخاب شود که مول در آن قرار گیرد، و ما بتوانیم با ماشینکاری آن مدل مورد نظر را درآوریم، که ما در اینجا با انتخاب آیکون black From و سپس انتخاب Min/ Max Limits، و سپس انتخاب Calculate یک قالب برای ماشینکاری مول انتخاب می نماییم که در شکل زیر نشان داده شده است.
در مرحله بعد با انتخاب آیکون Feed Rates Form، مقادیر مربوط به سرعت پیشروی سرعت باربرداری و سرعت دورانی اسپیندل را انتخاب می نماییم که در شکل نشان داده شده است. در مرحله بعد با انتخاب آیکون Rapid Move Heights Form، مقادیر مربوط به Safe Z و Start Z را انتخاب می کنیم، که معمولاً مقدار SafeZ را 5mm بیشتر انتخاب می کنیم. که در شکل زیر نشان داده شده است.
در مرحله بعد با انتخاب آیکون Start Point Form، و انتخاب یکی از گزینه ها، نقطه شروع را تعریف می کنیم که ما در اینجا block center safe Z را انتخاب نمودیم. که در شکل نشان داده شده است. با انتخاب گزینه Tool Axis Direction Form، جهت ابزار براده برداری را تعیین می کنیم. که ما مطابق شکل زیر، Vertical را انتخاب نمودیم.
در مرحله بعد، در قسمت Area clearance، استراتژی های کلی خشن کاری را انتخاب می نماییم. که این قسمت شامل استراتژی Offset را انتخاب می کنیم. این گزینه هم در شکل زیر نشان داده شده است.
حال در این مرحله با توجه به نوع قطعه و اندازه ها و شکل هندسی آن، اقدام به انتخاب ابزارهای مناسب برای این امر می نماییم. که بهتر است برای اینکه در زمان و هزینه صرفه جویی شود، از چندین ابزار استفاده شود. تا به عنوان مثال خشن کاری اولینه با ابزاری با قطر بزرگتر انجام شود و مراحل بعدی با ابزارهای ریزتر انجام شود. که شکل زیر نشان دهنده انتخاب یکی از ابزارهایی است که ما برای این مرحله انتخاب کرده ایم.
نرم افزار دارای قابلیت نشان دادن مسیرهای ابزار قبل از ماشین کاری می باشد، که در شکل های زیر نشان داده شده است.
بعد از اینکه ابزارهای خشن تراشی انتخاب شد، و استراتژی مربوط به آن انتخاب شد، لازم است که استراتژی مربوط به Finishing و ابزار مربوطه را تعیین نماییم. که در شکل زیر انواع استراتژی های Finishing نشان داده شده است که ما استراتژی را انتخاب کردیم، و در مرحله بعد نیز ابزار مربوط به Finishing و Tolerance مربوطه را انتخاب می نماییم. که در شکل نشان داده شده است.
در مرحله بعد با انتخاب Toggle view Mill window، نمایی سه بعدی و به صورت انیمیشن از ماشین کاری قطعه را می بینیم. که در شکل زیر نشان داده شده است. با رفتن به ناحیه Explorer در محیط کاری نرم افزار، و انتخاب NC program و انتخاب Tool paths مناسب، می توانیم، G cod های لازم را برای ماشین کاری بدست آوریم.
منابع:
1- مبانی تکنولوژی طراحی و تولید به کمک کامپیوتر- مهندس رضا حسنوی.
2- مقدمه ای بر تکنولوژی CAD/CAM – مهندس کامبیز یوسفی، مهندس کیارش یوسفی.
3- طراحی و ساخت پروانه واحدهای شناور به کمک کامپیوتر- مهندس میرحبیب صفی زاده.
4- زمینه های طراحی و تولید به کمک کامپیوتر- مهندس منصور میرچوبی.
5- طراحی و ساخت به کمک کامپیوتر (CAD/CAM)- م. ح. صادقی.
6- اینترنت- CAD – CAM & Cii
7- اینترنت- سایت شرکت تحقیقات و توسعه نرم افزار ]ثنارای[
8- ارزیابی بهره وری سیستمهای طراحی و تولید به کمک کامپیوتر CAD/CAM در صنایع خودروسازی ایران.
1
57