مقاله بررسی تکنولوژی طراحی و تولید به کمک کامپیوتر (CADCAM) در 57 صفحه ورد قابل ویرایش

مقدمه

مقدمه نویسنده:

رشد روزافزون تکنولوژی کامپیوتر و قابلیت‌های کنترلی، محاسباتی و گرافیکی آن موجب شده است تا این دستاورد حیرت‌انگیز 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 پیچیدگی‌های بسیاری هستند و نمی‌توان برنامة ساخت آنها را توسط ماشین CNC و به کمک دست انجام داد،‌کامپیوترها و نرم‌افزارهای کاربردی در هر دومرحله طراحی و ساخت به کمک انسان می‌آیند. برنامه ریزی فرایند ساخت، برنامه‌ریزی ملزومات مواد، کنترل کیفیت و تمامی مسائل مربوط به مدیریت خودکار تولید،‌با استفاده از این تکنولوژی به راحتی امکان‌پذیر است.

در سالهای اخیر نهدهای صنعتی کشورمان نیز به تدریج به اهمیت شناخت و به کارگیری تکنولوژی CAD/CAM پی‌برده‌اند. 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 پروژة پایان تحصیلی خود نمودم. امید است این اقدام، پیش زمینه‌ای برای استفاده بیشتر از این فرایند برای تولید قطعات مورد نیاز کشورمان برای خودم و خوانندگان آن باشد.

1-1 تاریخچة 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 قابلیت‌های فکری بشر را رشد داده است.

امروزه بدون استفاده از کامپیوتر نمی‌توان 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، سخت‌افزار کامپیوتر هر روز ارزان و ارزان‌تر شد؛ به گونه‌ای که شرکت‌های صنعتی تمایل پیدا کردند، تا از قابلیت‌های آن استفاده کنند. به دلیل کوچک شدن سخت‌افزار کامپیوتر، این ابزار به سرعت در زمینه‌هایی از صنعت نفوذ کرد که به دلیل بزرگ بودن اندازة 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 “بهره‌وری” داشت ،‌به سرعت در صنایع مهندسی مقبولیت یافت. همان‌طور که نام CAD/CAM نشان می‌دهد، 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 رضایت‌بخش را برای طراحی و تولید محصولات با کیفیت عالی بیان می‌کند. CAD/CAM شامل دو بخش جداگانه به نام‌های 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 کرده‌اند و هم اکنون هردوی آنها با هم تحت عنوان سیستم‌های CAD/CAM یکپارچه شده‌اند. 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 پایه‌ریزی شد و اولین تصاویر ساده برروی کامپیوتر «ویرل‌ونید» Whirlwind نمایش داده شد. با ظهور سخت‌افزار پیشرفته که حافظه و سرعت آن بالا و ارزان نیز بود، نرم‌افزارهای جدیدتری نیز در زمینه گرافیک به وجود آمدند. نتیجه چنین تحولی، کاربرد روزافزون CAD در صنعت بود. در آغاز، سیستم‌های CAD به صورت ایستگاههای نقشه‌کشی خودکاری بودند که در آن رسام‌های Plotter تحت کنترل کامپیوتر، نقشه‌های مهندسی را تولید می‌نمودند.

امروزه سیستم های CAD می‌توانند به مراتب بیشتر از نقشه‌کشی عادی کار انجام دهند. برخی از سیستم‌ها دارای قابلیت‌های تحلیلی نیز هستند . برای نمونه نرم‌افزارهایی 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 می‌توانند 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 دهة 40 فردی به نام “جان پارسونز” Jon T.parsons روشی خاص برای کنترل یک ماشین ابزار ابداع کرد. در روش او کارت‌های سوراخ شده (Punched Cards) به کار برده شده بود. تا اطلاعات مختصاتی حرکت ماشین به آن ارائه گردد. در این حالت، امکان انجام ماشین‌کاری روی سطوح موردنظر توسط ماشین میسر می‌شد. 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 توانایی‌های آن را بیان کند. سپس، سازندگان ابزار و صنایع تولیدی متحداً ماشین‌های NC جدیدی متناسب با نیازهایشان ساختند. در اواخر دهة 50 کامپیوترها در دسترس بودند و مسلم شده بود که آنها می‌توانند مقادیر عددی مورد لزوم ماشین‌های کنترل عددی را تولید نمایند.

در این مرحله نیروی هوایی آمریکا با پرداخت مبالغ زیادی به دانشگاه ام.آی. تی خواستار طراحی یک برنامه‌نویس قطعه شد که بتواند برای تعریف حرکات هندسی ابزار، در ماشین‌های 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 می‌تواند میان دستورالعمل‌های ماشین‌کاری و ماشین ابزار ارتباط برقرار سازد. با ATP برنامه‌نویس می تواند اشکال ابزار، تلرانس‌ها،‌تعاریف هندسی، حرکات ابزار و فرامین کمکی ماشین را تعریف کند. تعدادزیادی زبان برنامه‌‌نویسی NC نیز براساس زبان APT بعداً به وجود آمدند. همانگونه که شرح داده شد، پیشرفت‌های اولیه CAM عمدتاً در حوزة کنترل عددی تمرکز داشته است. تا این اواخر، فرامین و دستور‌العمل‌های NC هنوز در دست انسان تولید و تصحیح می‌شدند.هم‌اکنون سیستم‌های CAM می‌توانند برنامه‌های NC را با درجه‌ای 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 سیستم‌ها حتی قابلیت مدیریت کارخانه را نیز دارند؛ و جریان کار و مواد را در طول کارخانه هدایت می‌کنند. دست آورد تکنولوژیک جدیدی که به تدریج به جمع فعالیت‌های 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

- درسیستم‌های 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 برنامه‌ریزی 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 سیستم‌های CAD/CAM تحت استفاده انحصاری این شرکت‌های بزرگ قرار دارد.

اما در حین سیر نزولی که در اندازه و قیمت این مجموعه روزبه روز صورت می‌گیرد، قدرت محاسباتی آنها بالا می‌رود. نتیجه این امر رشد و گسترش وسیع و سریع سیستم‌های مذکور در صنایع عمومی بود که از طریق وارد شدن این سیستم‌های مستقل و نه‌چندان هزینه بر که در آنها استفاده کننده می‌تواند 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 می‌دهد که بدون آموختن برنامه‌نویسی و نحوة‌ کاربرد کامپیوتر، از مزایای آن بهره بگیرد. اگرچه سیستمهای خیلی پیشرفته در کارخانه‌های بزرگ باقی می‌مانند، ولی بسیاری از کارخانه های کوچک که قبلاً توانایی خرید سیستم‌های CAD/CAM را نداشتند، هم‌اکنون جزواستفاده کنندگان این سیستم ‌ها می باشند. البته مهمترین انگیزه استفاده از CAD/CAM افزایش بهره‌وری Productivity مهندسی است. هزینه‌های بسیار زیاد تولید سنتی سفینه‌های فضایی، این کارخانه ها را واداشت که از چندین سال قبل برای تولید اقتصادی‌تر هواپیما، به فکر تجهیز کارخانه‌هایشان به سیستم‌ CAD/CAM بیفتند. به همین ترتیب ، صنایع خودروسازی این تکنولوژی را به عنوان بهترین راه ‌طراحی و تولید اتومبیل‌ها قلمداد کردند. طراحی وتولید به کمک کامپیوتر CAD/CAM ،‌امروزه ،‌به همة صنایع سرایت کرده است و در تولید بسیاری از محصولات به کار گرفته می شود.

1-2 مقدمه:

تعریف و بیان شکل هندسی یک قطعه، اولین و آخرین گام از فعالیت‌های طراحی و مهندسی را تشکیل می‌دهد. درگذشته و به طور سنتی این کار توسط نقشه‌های اجرایی دوبعدی ترسیم شده توسط دست صورت می‌گرفته است.

امروزه با پیشرفت‌های حاصله در زمینه سخت‌افزار و توسعه نرم‌افزارهای قدرتمند گرافیکی، به آسانی می توان با استفاده از داده‌های شکل هندسی یک جسم، مدل کامپیوتری سه بعدی آن را تهیه کرد. منظور از مدل کامپیوتری ، بیان ریاضی شکل هندسی یک جسم در فضای سه‌بعدی و ذخیرة آن در حافظه کامپیوتر است.

عمده‌ترین کاربردهای مدل‌سازی هندسی، به کارگیری آن در فعالیت‌های مختلف طراحی و ساخت به کمک کامپیوتر است. هنگامی که مدل هندسی قطعه‌ای توسط کامپیوتر تولید شد،اطلاعات آن به صورت یک فایل در حافظة‌ دائمی کامپیوتر ذخیره می گردد. از طریق ایجاد تغییرات در مجموعه انباره داده‌های (data base) مربوط به جسم، می‌توان هرگونه تغییرات دلخواهی را در محیط نرم‌افزار بر روی این مدل اعمال نمود.

بنابراین از دید مهندسی و طراحی مطالعه تکنیک‌های جدید مدلسازی هندسی کامپیوتری توانایی‌ها وابزارهای قدرتمندی را در اختیار مهندسان و طراحان قرار می‌دهد که از آن می‌توانند در فعالیت‌های مختلف طراحی و آنالیز مهندسی و یا ساخت و تولیداستفاده نمایند. عملیاتی مانند ارزیابی طرحها و ایده‌ها، طراحی صنعتی، تهیه نقشه‌های اجرایی، انجام محاسبات طراحی و آنالیز به روش اجزاء محدود،‌شبیه‌سازی سینماتیکی و دینامیکی مکانیزمها و ماشین آلات ،‌تهیه برنامه NC جهت ماشین‌کاری و محاسبات سطح، حجم و خواص جرمی و دیگر مشخصات قطعه و یا محصول بدین روش قابل انجام است. از این طریق بهره‌وری و انعطاف‌پذیری فرایند طراحی و ساخت افزایش یافته و نوع کار آسان می‌شود.

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 نقشه‌های اجرایی و نماهای جسم از دیدهای مختلف و یا ساخت اجسام تخت، مثلاً طراحی مسیر حرکت سیم در فرایند و ایرکات، به کار می‌رود.

2-2-3 مدل دو و نیم بعدی (21/2 D Model)

که برای قطعات با سطح مقطع ثابت،‌بدون دیواره‌های جانبی پیچیده، می‌تواند به کار گرفته شود. برای مثال، هر منشور یا کره می‌تواند توسط تعدادی دیسک شناخته شود.

3-2-2 مدل سه‌بعدی (3D Model)

که برای مدلسازی اجسام سه‌بعدی به کار می‌رود. در این مدل مختصات x,y,z هر نقطه ممکن است با نقطه مجاورش متفاوت باشد. کاربرد این روش مدلسازی در طراحی پره‌توربین، بدنه اتومبیل و … بسیار وسیع است.

3-3 انواع روشهای مدلسازی هندسی

به طور کلی در یک نرم‌افزار CAD بسته به توانایی های آن و ماهیت ساخت مدل در کامپیوتر، به سه روش می‌توان مدل هندسی یک جسم فیزیکی را تولید نمود.

1- مدل قاب سیمی (Wireframe Model)

2- مدل سطوح (Suface Model) یا مدل رویه‌ای یا پوسته‌ای

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 می‌دهند، در انبارة داده‌های (data base) مربوط به قطعه در حافظه ذخیره شده و برای کامپیوتر قابل درک و شناسایی هستند. این روش پایین‌ترین سطح مدلسازی کامپیوتری اجسام است. و محدودیت‌های زیادی دارد که اغلب ناشی از نداشتن اطلاعات از هندسه جسم است. شکل
شماره 1 نمونه‌ای از این نوع مدلسازی را نشان می‌دهد.

از مزایای این نوع مدلسازی می‌توان به سادگی و آسان بودن تولید آن اشاره نمود. همچنین به دلیل اینکه این نوع مدل کمترین حجم حافظه را از کامپیوتر اشغال می‌کند،‌سریع‌تر ایجاد می شود و در نتیجه هزینه کمتری دربرخواهد داشت.

با استفاده از یک سیستم CAD که قابلیت مدلسازی به روش قاب‌سیمی را داشته باشد همچون مدول سه بعدی نرم‌افزار «Auto CAD» و یا نرم‌افزار «Anvil Express» فعالیت‌های مختلف طراحی و ساخت بکار گرفت.

2-1-3-3 برخی از محدودیت‌های این نوع مدل‌سازی را می‌توان 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 نمی‌شناسند و داده‌های 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 نمی‌تواند، 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:

استفاده از خطوط بریده(خط‌چین) برای نمایش خطوط نامرئی
بکارگیری تکنیکهای حذف خطوط نامرئی (Hidden Line Removal)

4-1-3-3 مهمترین زمینه های کاربرد نرم‌افزارهای مدلسازی به روش قاب سیمی عبارتند از:

تهیه نقشه‌های اجرایی
ایجاد شبکه (MESH) برای آنالیز اجزاء محدود (F.E.A)
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 منحنی‌های مقاطع مخروطی مانند، بیضی، سهمی و هندلولی. این نوع اجزاء برای ساختن مدل هندسی قطعات ساده استفاده می‌شوند.

ب) اجزاء مصنوعی(Synthetic Entities): مانند انواع قطعه منحنی های اتصالی
(Cubic-Spline, B-Spline) و منحنی‌های 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 داده‌های مربوط به جسم در کامپیوتر ذخیره می‌شود. یک مدل سطوح را می‌توان به کمک تعریف سطوح روی یک قاب سیمی (Wire frame) ساخت. این عمل را می‌توان با عمل کشیدن پارچه و یا روکش روی مدل قاب سیمی تشبیه کرد.

یک مدل سطوح می‌تواند بسیاری از ابهاماتی که در مدل قاب سیمی وجود داشت را برطرف کند. شکل شماره 2 یک نمونه، مدل Surface model را نشان می‌دهد:

به طور کلی مدلسازی سطوح؛ کاملتر، پیشرفته‌تر از مدل قاب سیمی و ارزان‌تر از مدل حجمی است.

2-2-3-3 محدویت‌های این مدلسازی عبارتند از:

ساختار داده‌ها پیچیده‌تر و در نتیجه محاسبات ریاضی حجیم‌تر و مشکل‌ترند.
نیاز به حجم بیشتری از حافظه کامپیوتر و ظرفیت ذخیره اطلاعات وجود دارد.
سرعت فرایند به دلیل حجم زیاد داده‌ها و محاسبات کندتر است.
نیاز به سخت‌افزار کامپیوتری با سرعت بالا وجود دارد.
پرهزینه‌تر است.
تنها حاوی اطلاعات سطح می باشد و از داخل جسم خبر نمی‌دهد و قادر به انجام محاسبات جرمی نیست.

3-2-3-3 کاربردهای مدلسازی سطوح عبارتند از:

تهیه تصویر پرسپکتیو
ایجاد شبکه (mesh) برای آنالیز اجزاء محدود یا آنالیز اجزاء مرزی
مدلسازی اجسامی که نیاز به اطلاعات داخل حجم ندارند.
تهیه مسیر حرکت ابزار برش جهت ماشین‌کاری CNC.