مقاله بررسی تكنولوژي طراحي و توليد به كمك كامپيوتر (CADCAM)

مقاله بررسي تكنولوژي طراحي و توليد به كمك كامپيوتر (CADCAM) در 57 صفحه ورد قابل ويرايش

مقدمه

مقدمه نويسنده:

رشد روزافزون تكنولوژي كامپيوتر و قابليت‌هاي كنترلي، محاسباتي و گرافيكي آن موجب شده است تا اين دستاورد حيرت‌انگيز بشري به عرصه طراحي و توليد قطعات صنعتي قدم بگذارد. استفاده از كامپيوتر در فرآيندهاي طراحي و توليد «تكنولوژي طراحي وتوليد به كمك كامپيوتر CAD/CAM

[Computer Aided Design and Computer Aided Manufacturing]

نام دارد . هنگامي كه قطعات داراي تنوع و پيچيدگي‌هاي بسياري هستند و نمي‌توان برنامة ساخت آنها را توسط ماشين CNC و به كمك دست انجام داد،‌كامپيوترها و نرم‌افزارهاي كاربردي در هر دومرحله طراحي و ساخت به كمك انسان مي‌آيند. برنامه ريزي فرايند ساخت، برنامه‌ريزي ملزومات مواد، كنترل كيفيت و تمامي مسائل مربوط به مديريت خودكار توليد،‌با استفاده از اين تكنولوژي به راحتي امكان‌پذير است.

در سالهاي اخير نهدهاي صنعتي كشورمان نيز به تدريج به اهميت شناخت و به كارگيري تكنولوژي CAD/CAM پي‌برده‌اند. اينجانب نيز با توجه به مشغول بودن در صنعت هوافضا و نياز به ساخت و مدلسازي و طراحي قطعات با استفاده از اين فرآيند، اقدام به انتخاب اين موضوع براي پروژة پايان تحصيلي خود نمودم. اميد است اين اقدام، پيش زمينه‌اي براي استفاده بيشتر از اين فرايند براي توليد قطعات مورد نياز كشورمان براي خودم و خوانندگان آن باشد.

1-1 تاريخچة CAD/CAM

در قرن 19 انقلاب صنعتي موجب رشد توان فيزيكي بشر شد. در قرن 20 نيز دومين انقلاب صنعتي با ظهور كامپيوترها به وجود آمده و قابليت‌هاي فكري بشر را رشد داده است.

امروزه بدون استفاده از كامپيوتر نمي‌توان پروژه صنعتي مهمي را انجام داد. از اواخر دهه 50 ميلادي با قوي شدن ظرفيت ذخيره و سرعت عمليات كامپيوترها، كاربرد آنها در پروژه هاي مهندسي به طور وسيعي روبه فزوني نهاد. مخصوصاً با ظهور تكنولوژي ميكروالكترونيكي VLSI يا مدار مجتمع با مقياس بسيار بزرگ، سخت‌افزار كامپيوتر هر روز ارزان و ارزان‌تر شد؛ به گونه‌اي كه شركت‌هاي صنعتي تمايل پيدا كردند، تا از قابليت‌هاي آن استفاده كنند. به دليل كوچك شدن سخت‌افزار كامپيوتر، اين ابزار به سرعت در زمينه‌هايي از صنعت نفوذ كرد كه به دليل بزرگ بودن اندازة كامپيوترهاي سنتي، امكان نفوذ چنداني نداشت. در نتيجه اين تحولات در علم كامپيوتر، “طراحي به كمك كامپيوتر” و “توليد به كمك كامپيوتر” (CAD/CAM) به خاطر قابليتي كه در افزودن “بهره‌وري” داشت ،‌به سرعت در صنايع مهندسي مقبوليت يافت. همان‌طور كه نام CAD/CAM نشان مي‌دهد، اين تكنولوژي مي تواند چنين تعريف شود: “استفاده از كامپيوترها به منظور كمك به فرايند طراحي و توليد”؛ به عبارت ديگر CAD/CAM عبارت است از كابرد كامپيوترها در فرايند توليد قطعات مهندسي كه از دفتر نقشه كشي شروع شده و پس از دپارتمان توليد، كارگاه ماشين، دپارتمان كنترل كيفيت، نهايتاً به انبار قطعات ساخته شده ختم مي گردد.

اين تكنولوژي روشي موثر، صحيح و رضايت‌بخش را براي طراحي و توليد محصولات با كيفيت عالي بيان مي‌كند. CAD/CAM شامل دو بخش جداگانه به نام‌هاي ذيل مي باشد:

1- طراحي به كمك كامپيوتر Computer Aided Desing

2- توليد به كمك كامپيوتر Computer Aided Manu facturing

اين دوبخش در طي 30 سال گذشته به طور مستقل رشد كرده‌اند و هم اكنون هردوي آنها با هم تحت عنوان سيستم‌هاي CAD/CAM يكپارچه شده‌اند. معناي يكپارچگي اين است كه كليه عمليات طراحي و توليد مي تواند در يك سيستم واحد مورد نظارت و كنترل قرار گيرد.

طراحي به كمك كامپيوتر، اساساً بريك تكنيك متنوع و قدرتمند به نام گرافيك كامپيوتري (Computer Graphics) استوار است. گرافيك كامپيوتري عبارت است از ايجاد و دستكاري اشكال بر روي يك دستگاه نمايش به كمك كامپيوتر، گرافيك كامپيوتري در سال 1950 در دانشگاه ام.آي. تي آمريكا پايه‌ريزي شد و اولين تصاوير ساده برروي كامپيوتر «ويرل‌ونيد» Whirlwind نمايش داده شد. با ظهور سخت‌افزار پيشرفته كه حافظه و سرعت آن بالا و ارزان نيز بود، نرم‌افزارهاي جديدتري نيز در زمينه گرافيك به وجود آمدند. نتيجه چنين تحولي، كاربرد روزافزون CAD در صنعت بود. در آغاز، سيستم‌هاي CAD به صورت ايستگاههاي نقشه‌كشي خودكاري بودند كه در آن رسام‌هاي Plotter تحت كنترل كامپيوتر، نقشه‌هاي مهندسي را توليد مي‌نمودند.

امروزه سيستم هاي CAD مي‌توانند به مراتب بيشتر از نقشه‌كشي عادي كار انجام دهند. برخي از سيستم‌ها داراي قابليت‌هاي تحليلي نيز هستند . براي نمونه نرم‌افزارهايي از CAD وجود دارند كه با روش المان محدود مي توانند قطعات را از نظر مسائل تنش، حرارت و مسائل مكانيكي مورد تجزيه و تحليل قرار دهند. همچنين نرم افزارهايي از CAD وجود دارند كه مي‌توانند حركت قطعات را نيز مورد مطالعه قرار دهند. توليد به كمك كامپيوتر اساساً با ظهور كنترل عددي Numerical) Control) يا (NC) مطرح شد. در اواخر دهة 40 فردي به نام “جان پارسونز” Jon T.parsons روشي خاص براي كنترل يك ماشين ابزار ابداع كرد. در روش او كارت‌هاي سوراخ شده (Punched Cards) به كار برده شده بود. تا اطلاعات مختصاتي حركت ماشين به آن ارائه گردد. در اين حالت، امكان انجام ماشين‌كاري روي سطوح موردنظر توسط ماشين ميسر مي‌شد. با مشخص شدن مقادير عددي براي حركت محور ماشين ابزار، تحولي در حركت مكاني ماشين ابزار ايجاد شد. اولين نمونه ماشين NC در سال 1952 ساخته شد. تا بتواند توانايي‌هاي آن را بيان كند. سپس، سازندگان ابزار و صنايع توليدي متحداً ماشين‌هاي NC جديدي متناسب با نيازهايشان ساختند. در اواخر دهة 50 كامپيوترها در دسترس بودند و مسلم شده بود كه آنها مي‌توانند مقادير عددي مورد لزوم ماشين‌هاي كنترل عددي را توليد نمايند.

در اين مرحله نيروي هوايي آمريكا با پرداخت مبالغ زيادي به دانشگاه ام.آي. تي خواستار طراحي يك برنامه‌نويس قطعه شد كه بتواند براي تعريف حركات هندسي ابزار، در ماشين‌هاي كنترل عددي به كار گرفته شود. نتيجه اين كار پيدايش زبان APT [Auto matically Programed Tools] شد،‌كه امروزه به عنوان زبان استاندارد ماشين NC ساخته شده است.

APT امكاناتي را فراهم مي آورد كه برنامه نويس قطعه مي‌تواند ميان دستورالعمل‌هاي ماشين‌كاري و ماشين ابزار ارتباط برقرار سازد. با ATP برنامه‌نويس مي تواند اشكال ابزار، تلرانس‌ها،‌تعاريف هندسي، حركات ابزار و فرامين كمكي ماشين را تعريف كند. تعدادزيادي زبان برنامه‌‌نويسي NC نيز براساس زبان APT بعداً به وجود آمدند. همانگونه كه شرح داده شد، پيشرفت‌هاي اوليه CAM عمدتاً در حوزة كنترل عددي تمركز داشته است. تا اين اواخر، فرامين و دستور‌العمل‌هاي NC هنوز در دست انسان توليد و تصحيح مي‌شدند.هم‌اكنون سيستم‌هاي CAM مي‌توانند برنامه‌هاي NC را با درجه‌اي از صحت ودقت بالا توليد كنند و مسير ابزار (Cutter Line) را براي مشخص شدن ترتيب مراحل ساخت روي صفحه تصوير Monitor سريعاً نشان دهند. برخي از اين سيستم‌ها حتي قابليت مديريت كارخانه را نيز دارند؛ و جريان كار و مواد را در طول كارخانه هدايت مي‌كنند. دست آورد تكنولوژيك جديدي كه به تدريج به جمع فعاليت‌هاي CAM پيوست، كه در آن بازوهاي متحرك خودكار، قطعات كاري و ابزارها را به كار مي گيرند. ]رجوع به 1و 8[

2-1 مثالهايي كاربردي از تكنولوژي CAD/CAM در جهان

- درسيستم‌هاي اوليه CAD/CAM ، بيشتر تجهيزات حجيم بودند و قيمت بالاي چند ميليون دلار داشتند. همچنين براي به كاربردن آنها نياز به يك اپراتور بود كه به كارهاي برنامه‌ريزي و كاربرد كامپيوتر آشنايي داشته باشد. درنتيجه فقط شركتهاي بزرگ ساخت هواپيما و صنايع هوافضا و خودروسازي قادر به استفاده از آنها بودند؛ و هنوز هم بسياري از تجيهزات سيستم‌هاي CAD/CAM تحت استفاده انحصاري اين شركت‌هاي بزرگ قرار دارد.

اما در حين سير نزولي كه در اندازه و قيمت اين مجموعه روزبه روز صورت مي‌گيرد، قدرت محاسباتي آنها بالا مي‌رود. نتيجه اين امر رشد و گسترش وسيع و سريع سيستم‌هاي مذكور در صنايع عمومي بود كه از طريق وارد شدن اين سيستم‌هاي مستقل و نه‌چندان هزينه بر كه در آنها استفاده كننده مي‌تواند عمليات طراحي خيلي پيچيده، تجزيه و تحلي و ديگر كارهاي توليدي را انجام دهد ،‌صورت گرفت. اين امر يعني بهره گيري از كامپيوترهاي كوچك ،‌به استفاده كننده اجازه مي‌دهد كه بدون آموختن برنامه‌نويسي و نحوة‌ كاربرد كامپيوتر، از مزاياي آن بهره بگيرد. اگرچه سيستمهاي خيلي پيشرفته در كارخانه‌هاي بزرگ باقي مي‌مانند، ولي بسياري از كارخانه هاي كوچك كه قبلاً توانايي خريد سيستم‌هاي CAD/CAM را نداشتند، هم‌اكنون جزواستفاده كنندگان اين سيستم ‌ها مي باشند. البته مهمترين انگيزه استفاده از CAD/CAM افزايش بهره‌وري Productivity مهندسي است. هزينه‌هاي بسيار زياد توليد سنتي سفينه‌هاي فضايي، اين كارخانه ها را واداشت كه از چندين سال قبل براي توليد اقتصادي‌تر هواپيما، به فكر تجهيز كارخانه‌هايشان به سيستم‌ CAD/CAM بيفتند. به همين ترتيب ، صنايع خودروسازي اين تكنولوژي را به عنوان بهترين راه ‌طراحي و توليد اتومبيل‌ها قلمداد كردند. طراحي وتوليد به كمك كامپيوتر CAD/CAM ،‌امروزه ،‌به همة صنايع سرايت كرده است و در توليد بسياري از محصولات به كار گرفته مي شود.

1-2 مقدمه:

تعريف و بيان شكل هندسي يك قطعه، اولين و آخرين گام از فعاليت‌هاي طراحي و مهندسي را تشكيل مي‌دهد. درگذشته و به طور سنتي اين كار توسط نقشه‌هاي اجرايي دوبعدي ترسيم شده توسط دست صورت مي‌گرفته است.

امروزه با پيشرفت‌هاي حاصله در زمينه سخت‌افزار و توسعه نرم‌افزارهاي قدرتمند گرافيكي، به آساني مي توان با استفاده از داده‌هاي شكل هندسي يك جسم، مدل كامپيوتري سه بعدي آن را تهيه كرد. منظور از مدل كامپيوتري ، بيان رياضي شكل هندسي يك جسم در فضاي سه‌بعدي و ذخيرة آن در حافظه كامپيوتر است.

عمده‌ترين كاربردهاي مدل‌سازي هندسي، به كارگيري آن در فعاليت‌هاي مختلف طراحي و ساخت به كمك كامپيوتر است. هنگامي كه مدل هندسي قطعه‌اي توسط كامپيوتر توليد شد،اطلاعات آن به صورت يك فايل در حافظة‌ دائمي كامپيوتر ذخيره مي گردد. از طريق ايجاد تغييرات در مجموعه انباره داده‌هاي (data base) مربوط به جسم، مي‌توان هرگونه تغييرات دلخواهي را در محيط نرم‌افزار بر روي اين مدل اعمال نمود.

بنابراين از ديد مهندسي و طراحي مطالعه تكنيك‌هاي جديد مدلسازي هندسي كامپيوتري توانايي‌ها وابزارهاي قدرتمندي را در اختيار مهندسان و طراحان قرار مي‌دهد كه از آن مي‌توانند در فعاليت‌هاي مختلف طراحي و آناليز مهندسي و يا ساخت و توليداستفاده نمايند. عملياتي مانند ارزيابي طرحها و ايده‌ها، طراحي صنعتي، تهيه نقشه‌هاي اجرايي، انجام محاسبات طراحي و آناليز به روش اجزاء محدود،‌شبيه‌سازي سينماتيكي و ديناميكي مكانيزمها و ماشين آلات ،‌تهيه برنامه NC جهت ماشين‌كاري و محاسبات سطح، حجم و خواص جرمي و ديگر مشخصات قطعه و يا محصول بدين روش قابل انجام است. از اين طريق بهره‌وري و انعطاف‌پذيري فرايند طراحي و ساخت افزايش يافته و نوع كار آسان مي‌شود.

2-3 ابعاد مدل هندسي

بسته به نياز طراح و نيز توانايي سيستم CAD مورد استفاده ،‌ابعاد مدل هندسي براي بيان يك جسم فيزيكي در حافظه كامپيوتري به يكي از سه صورت زير ذخيره مي شود.

1-2-3 مدل دوبعدي (2D Malel) : كه براي نقشه‌هاي اجرايي و نماهاي جسم از ديدهاي مختلف و يا ساخت اجسام تخت، مثلاً طراحي مسير حركت سيم در فرايند و ايركات، به كار مي‌رود.

2-2-3 مدل دو و نيم بعدي (21/2 D Model)

كه براي قطعات با سطح مقطع ثابت،‌بدون ديواره‌هاي جانبي پيچيده، مي‌تواند به كار گرفته شود. براي مثال، هر منشور يا كره مي‌تواند توسط تعدادي ديسك شناخته شود.

3-2-2 مدل سه‌بعدي (3D Model)

كه براي مدلسازي اجسام سه‌بعدي به كار مي‌رود. در اين مدل مختصات x,y,z هر نقطه ممكن است با نقطه مجاورش متفاوت باشد. كاربرد اين روش مدلسازي در طراحي پره‌توربين، بدنه اتومبيل و … بسيار وسيع است.

3-3 انواع روشهاي مدلسازي هندسي

به طور كلي در يك نرم‌افزار CAD بسته به توانايي هاي آن و ماهيت ساخت مدل در كامپيوتر، به سه روش مي‌توان مدل هندسي يك جسم فيزيكي را توليد نمود.

1- مدل قاب سيمي (Wireframe Model)

2- مدل سطوح (Suface Model) يا مدل رويه‌اي يا پوسته‌اي

3- مدل حجمي (Solid Model) يا مدل توپر

1-1-3-3 مدل قاب سيمي (Wireframe Model)

در مدلسازي هندسي به روش قاب سمي (Wireframe Model) ، جسم توسط يالهايش بيان مي شود. به عبارت ديگر فقط نقاط، خطوط، قوسها و منحني هايي كه يالهاي جسم را در فضا تشكيل مي‌دهند، در انبارة داده‌هاي (data base) مربوط به قطعه در حافظه ذخيره شده و براي كامپيوتر قابل درك و شناسايي هستند. اين روش پايين‌ترين سطح مدلسازي كامپيوتري اجسام است. و محدوديت‌هاي زيادي دارد كه اغلب ناشي از نداشتن اطلاعات از هندسه جسم است. شكل
شماره 1 نمونه‌اي از اين نوع مدلسازي را نشان مي‌دهد.

از مزاياي اين نوع مدلسازي مي‌توان به سادگي و آسان بودن توليد آن اشاره نمود. همچنين به دليل اينكه اين نوع مدل كمترين حجم حافظه را از كامپيوتر اشغال مي‌كند،‌سريع‌تر ايجاد مي شود و در نتيجه هزينه كمتري دربرخواهد داشت.

با استفاده از يك سيستم CAD كه قابليت مدلسازي به روش قاب‌سيمي را داشته باشد همچون مدول سه بعدي نرم‌افزار «Auto CAD» و يا نرم‌افزار «Anvil Express» فعاليت‌هاي مختلف طراحي و ساخت بكار گرفت.

2-1-3-3 برخي از محدوديت‌هاي اين نوع مدل‌سازي را مي‌توان به صورت زير برشمرد:

اين مدل حاوي كمترين اطلاعات از جسم است و بنابراين فقط براي اجسام با شكل هندسي ساده و غير پيچيده قابل استفاده است.

- مدل قاب سيمي چون سطح و حجم جسم را نمي‌شناسند و داده‌هاي آنها را ندارند، قادر نيست سطوح و يا داخل و خارج جسم را از هم تميز دهد. بنابراين از تشخيص مرز مشترك ما بين دوجسم متقاطع عاجز است.

- خواص فيزيكي جسم، همچون وزن، سطح مقطع، مركز ثقل و ممان ايندسي را نيز نمي‌تواند، محاسبه كند.

- مدل قاب سيمي از يك جسم ممكن است،‌به گونه هاي مختلفي تفسير شود.

3-1-3-3 براي ابهام زدايي از مدل قاب سيمي و براي اينكه اين نوع مدل،‌جسم را به صورت يكه بيان كند، لازم است يكي از دوعمليات زير در مورد جسم بكار گرفته شود:

استفاده از خطوط بريده(خط‌چين) براي نمايش خطوط نامرئي
بكارگيري تكنيكهاي حذف خطوط نامرئي (Hidden Line Removal)

4-1-3-3 مهمترين زمينه هاي كاربرد نرم‌افزارهاي مدلسازي به روش قاب سيمي عبارتند از:

تهيه نقشه‌هاي اجرايي
ايجاد شبكه (MESH) براي آناليز اجزاء محدود (F.E.A)
تهيه مسير ابزار برش براي ماشينكاري CNC

5-1-3-3 اجزاي قاب سيمي (Wireframe Entities)

اجزاي تشكيل دهنده يك قاب سيمي در سيستمهاي CAD/CAM بر دو دسته هستند:

الف) اجزاء تحليلي (Analytic Entities) : مانند نقطه (Point) خط (line) ،‌قوس (Arc) و منحني‌هاي مقاطع مخروطي مانند، بيضي، سهمي و هندلولي. اين نوع اجزاء براي ساختن مدل هندسي قطعات ساده استفاده مي‌شوند.

ب) اجزاء مصنوعي(Synthetic Entities): مانند انواع قطعه منحني هاي اتصالي
(Cubic-Spline, B-Spline) و منحني‌هاي بزيير (Bezier)


1-2-3-3 مدلسازي سطوح (Suface Modeling)

به سيستمهاي CAD كه توانايي توصيف سطوح يك جسم را داشته باشند،‌مدلساز سطوح (Surface Model) مي گويند. در اين حالت در مقايسه با روش قاب سيمي، حجم بيشتري از اطلاعات در فايل داده‌هاي مربوط به جسم در كامپيوتر ذخيره مي‌شود. يك مدل سطوح را مي‌توان به كمك تعريف سطوح روي يك قاب سيمي (Wire frame) ساخت. اين عمل را مي‌توان با عمل كشيدن پارچه و يا روكش روي مدل قاب سيمي تشبيه كرد.

يك مدل سطوح مي‌تواند بسياري از ابهاماتي كه در مدل قاب سيمي وجود داشت را برطرف كند. شكل شماره 2 يك نمونه، مدل Surface model را نشان مي‌دهد:

به طور كلي مدلسازي سطوح؛ كاملتر، پيشرفته‌تر از مدل قاب سيمي و ارزان‌تر از مدل حجمي است.

2-2-3-3 محدويت‌هاي اين مدلسازي عبارتند از:

ساختار داده‌ها پيچيده‌تر و در نتيجه محاسبات رياضي حجيم‌تر و مشكل‌ترند.
نياز به حجم بيشتري از حافظه كامپيوتر و ظرفيت ذخيره اطلاعات وجود دارد.
سرعت فرايند به دليل حجم زياد داده‌ها و محاسبات كندتر است.
نياز به سخت‌افزار كامپيوتري با سرعت بالا وجود دارد.
پرهزينه‌تر است.
تنها حاوي اطلاعات سطح مي باشد و از داخل جسم خبر نمي‌دهد و قادر به انجام محاسبات جرمي نيست.

3-2-3-3 كاربردهاي مدلسازي سطوح عبارتند از:

تهيه تصوير پرسپكتيو
ايجاد شبكه (mesh) براي آناليز اجزاء محدود يا آناليز اجزاء مرزي
مدلسازي اجسامي كه نياز به اطلاعات داخل حجم ندارند.
تهيه مسير حركت ابزار برش جهت ماشين‌كاري CNC.