مقاله بررسی تکنولوژی طراحی و تولید به کمک کامپیوتر (CADCAM)

دسته: کامپیوتر و IT

فرمت فایل: doc

حجم فایل: 124 کیلوبایت

تعداد صفحات فایل: 57

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

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.

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 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:

استفاده از خطوط بریده (خط چین) برای نمایش خطوط نامرئی

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:

تهیه نقشه های 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 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:

ساختار داده ها پیچیده تر و در نتیجه محاسبات ریاضی حجیم تر و مشکل ترند.

نیاز به حجم بیشتری از حافظه کامپیوتر و ظرفیت ذخیره اطلاعات وجود دارد.

سرعت فرایند به دلیل حجم زیاد داده ها و محاسبات کندتر است.

نیاز به سخت افزار کامپیوتری با سرعت بالا وجود دارد.

پرهزینه تر است.

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:

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 ماشین کاری CNC.

  • طراحی
  • بررسی تکنولوژی طراحی و تولید به کمک کامپیوتر (CADCAM)
  • پژوهش بررسی تکنولوژی طراحی و تولید به کمک کامپیوتر (CADCAM)
  • تحقیق بررسی تکنولوژی طراحی و تولید به کمک کامپیوتر (CADCAM)
  • مقاله بررسی تکنولوژی طراحی و تولید به کمک کامپیوتر (CADCAM)
  • تولید
  • دانلود تحقیق بررسی تکنولوژی طراحی و تولید به کمک کامپیوتر (CADCAM)
  • کامپیوتر
  • تکنولوژی

کلیک جهت دانلود