PROJEKTOWANIE WSPOMAGANE KOMPUTEROWO (CAD) I WYTWARZANIE WSPOMAGANE KOMPUTEROWO (CAM)

Projektowanie wspomagane komputerowo (CAD) polega na tworzeniu modeli komputerowych określonych parametrami geometrycznymi. Modele te zwykle pojawiają się na monitorze komputera jako trójwymiarowe przedstawienie części lub układu części, które można łatwo zmienić, zmieniając odpowiednie parametry. Systemy CAD umożliwiają projektantom przeglądanie obiektów w szerokiej gamie reprezentacji i testowanie tych obiektów poprzez symulację warunków rzeczywistych.

Wytwarzanie wspomagane komputerowo (CAM) wykorzystuje geometryczne dane projektowe do sterowania zautomatyzowanymi maszynami. Systemy CAM są powiązane z systemami komputerowego sterowania numerycznego (CNC) lub bezpośredniego sterowania numerycznego (DNC). Systemy te różnią się od starszych form sterowania numerycznego (NC) tym, że dane geometryczne są kodowane mechanicznie. Ponieważ zarówno CAD, jak i CAM wykorzystują metody komputerowe do kodowania danych geometrycznych, możliwe jest, że procesy projektowania i produkcji są wysoce zintegrowane. Wspomagane komputerowo systemy projektowania i wytwarzania są powszechnie określane jako CAD/CAM.

POCHODZENIE CAD/CAM

CAD ma swoje początki w trzech oddzielnych źródłach, które służą również do podkreślenia podstawowych operacji, które zapewniają systemy CAD. Pierwsze źródło CAD powstało w wyniku prób zautomatyzowania procesu rysowania. Te zmiany zostały zapoczątkowane przez Laboratoria Badawcze General Motors we wczesnych latach 60-tych. Jedną z ważnych zalet modelowania komputerowego w porównaniu z tradycyjnymi metodami kreślarskimi, które pozwalają zaoszczędzić czas, jest to, że te pierwsze mogą być szybko korygowane lub manipulowane poprzez zmianę parametrów modelu. Drugim źródłem CAD było testowanie projektów za pomocą symulacji. Wykorzystanie modelowania komputerowego do testowania produktów było pionierskie w branżach zaawansowanych technologii, takich jak lotnictwo i półprzewodniki. Trzecie źródło rozwoju CAD wynikało z wysiłków mających na celu ułatwienie przepływu od procesu projektowania do procesu produkcyjnego przy użyciu technologii sterowania numerycznego (NC), które w połowie lat 60. były szeroko stosowane w wielu aplikacjach. To właśnie to źródło zaowocowało powiązaniem CAD i CAM. Jednym z najważniejszych trendów w technologiach CAD/CAM jest coraz ściślejsza integracja między etapami projektowania i produkcji procesów produkcyjnych opartych na CAD/CAM.

Rozwój CAD i CAM, a zwłaszcza powiązania między tymi dwoma, pozwoliły przezwyciężyć tradycyjne niedociągnięcia NC pod względem kosztów, łatwości użytkowania i szybkości, umożliwiając projektowanie i produkcję części przy użyciu tego samego systemu kodowania danych geometrycznych. Innowacja ta znacznie skróciła okres między projektowaniem a produkcją i znacznie rozszerzyła zakres procesów produkcyjnych, w których można było ekonomicznie wykorzystywać zautomatyzowane maszyny. Co równie ważne, CAD/CAM dał projektantowi znacznie bardziej bezpośrednią kontrolę nad procesem produkcyjnym, stwarzając możliwość całkowicie zintegrowanego projektowania i wytwarzania.

Szybki wzrost wykorzystania technologii CAD/CAM po wczesnych latach 70. był możliwy dzięki opracowaniu masowo produkowanych chipów krzemowych i mikroprocesorów, dzięki czemu komputery stały się bardziej przystępne cenowo. Ponieważ ceny komputerów nadal spadały, a ich moc obliczeniowa poprawiała się, wykorzystanie CAD/CAM rozszerzyło się z dużych firm stosujących techniki masowej produkcji na firmy każdej wielkości. Poszerzono również zakres operacji, do których zastosowano CAD/CAM. Oprócz kształtowania części za pomocą tradycyjnych procesów obrabiarek, takich jak tłoczenie, wiercenie, frezowanie i szlifowanie, CAD/CAM jest używany przez firmy zajmujące się produkcją elektroniki użytkowej, komponentów elektronicznych, formowanych tworzyw sztucznych i wielu innych produktów . Komputery służą również do sterowania szeregiem procesów produkcyjnych (takich jak obróbka chemiczna), które nie są ściśle zdefiniowane jako CAM, ponieważ dane sterujące nie są oparte na parametrach geometrycznych.

Za pomocą CAD można symulować w trzech wymiarach ruch części w procesie produkcyjnym. Proces ten może symulować posuwy, kąty i prędkości obrabiarek, położenie zacisków przytrzymujących część, a także zakres i inne ograniczenia ograniczające pracę maszyny. Ciągły rozwój symulacji różnych procesów produkcyjnych jest jednym z kluczowych środków, dzięki którym systemy CAD i CAM stają się coraz bardziej zintegrowane. Systemy CAD/CAM ułatwiają również komunikację między osobami zaangażowanymi w projektowanie, produkcję i inne procesy. Ma to szczególne znaczenie, gdy jedna firma zleca innej firmie zaprojektowanie lub wyprodukowanie komponentu.

ZALETY I WADY

Modelowanie za pomocą systemów CAD ma wiele zalet w porównaniu z tradycyjnymi metodami kreślarskimi, które wykorzystują linijki, kwadraty i cyrkle. Na przykład projekty można zmieniać bez wymazywania i przerysowywania. Systemy CAD oferują również funkcje „powiększenia” analogiczne do obiektywu aparatu, dzięki czemu projektant może powiększyć niektóre elementy modelu, aby ułatwić kontrolę. Modele komputerowe są zazwyczaj trójwymiarowe i można je obracać wokół dowolnej osi, tak jak można obracać rzeczywisty trójwymiarowy model w jednej dłoni, umożliwiając projektantowi uzyskanie pełniejszego wyczucia obiektu. Systemy CAD nadają się również do modelowania rysunków przekrojowych, na których ujawnia się wewnętrzny kształt części, oraz do ilustrowania relacji przestrzennych między układem części.

Aby zrozumieć CAD, przydatne jest również zrozumienie, czego CAD nie może zrobić. Systemy CAD nie mają możliwości zrozumienia rzeczywistych pojęć, takich jak natura projektowanego obiektu lub funkcja, jaką obiekt będzie pełnić. Systemy CAD działają dzięki ich zdolności do kodyfikacji pojęć geometrycznych. Proces projektowania z wykorzystaniem CAD polega więc na przeniesieniu pomysłu projektanta do formalnego modelu geometrycznego. Wysiłki zmierzające do opracowania komputerowej „sztucznej inteligencji” (AI) nie zdołały jeszcze wykroczyć poza mechanikę – reprezentowaną przez modelowanie geometryczne (oparte na regułach).

Inne ograniczenia CAD są rozwiązywane przez badania i rozwój w dziedzinie systemów eksperckich. To pole wywodzi się z badań przeprowadzonych w AI. Jednym z przykładów systemu eksperckiego jest włączenie informacji o naturze materiałów — ich wadze, wytrzymałości na rozciąganie, elastyczności itd. — do oprogramowania CAD. Uwzględniając te i inne informacje, system CAD mógłby następnie „wiedzieć”, co wie inżynier ekspert, gdy inżynier tworzy projekt. System mógłby wówczas naśladować schemat myślowy inżyniera i faktycznie „stworzyć” więcej projektu. Systemy eksperckie mogą obejmować implementację bardziej abstrakcyjnych zasad, takich jak natura grawitacji i tarcia lub funkcja i związek powszechnie używanych części, takich jak dźwignie lub nakrętki i śruby. Systemy eksperckie mogą również zmienić sposób przechowywania i pobierania danych w systemach CAD/CAM, zastępując system hierarchiczny systemem oferującym większą elastyczność. Jednak takie futurystyczne koncepcje są w dużym stopniu zależne od naszych zdolności do analizowania ludzkich procesów decyzyjnych i przekładania ich na mechaniczne odpowiedniki, jeśli to możliwe.

Jednym z kluczowych obszarów rozwoju technologii CAD jest symulacja wydajności. Do najczęstszych typów symulacji należą testowanie reakcji na naprężenia i modelowanie procesu, w którym część może być wytwarzana, lub dynamicznych relacji między układem części. W testach naprężeń powierzchnie modelu są przedstawiane za pomocą siatki lub siatki, które odkształcają się, gdy część podlega symulowanym naprężeniom fizycznym lub termicznym. Testy dynamiczne funkcjonują jako uzupełnienie lub substytut budowy działających prototypów. Łatwość, z jaką można zmienić specyfikacje części, ułatwia opracowanie optymalnych sprawności dynamicznych, zarówno w odniesieniu do funkcjonowania systemu części, jak i wytwarzania dowolnej części. Symulacja jest również wykorzystywana w automatyzacji projektowania elektronicznego, w której symulowany przepływ prądu przez obwód umożliwia szybkie testowanie różnych konfiguracji komponentów.

Procesy projektowania i wytwarzania są w pewnym sensie pojęciowo rozdzielne. Jednak proces projektowania musi być podejmowany ze zrozumieniem natury procesu produkcyjnego. Na przykład projektant musi znać właściwości materiałów, z których można wykonać część, różne techniki kształtowania części oraz skalę produkcji, która jest ekonomicznie opłacalna. Koncepcyjne nakładanie się projektu i produkcji sugeruje potencjalne korzyści płynące z CAD i CAM oraz powód, dla którego są one ogólnie uważane za system.

Ostatnie osiągnięcia techniczne w zasadniczy sposób wpłynęły na użyteczność systemów CAD/CAM. Na przykład stale rosnąca moc obliczeniowa komputerów osobistych dała im możliwość wykorzystania ich jako narzędzia do aplikacji CAD/CAM. Innym ważnym trendem jest ustanowienie jednego standardu CAD-CAM, tak aby różne pakiety danych mogły być wymieniane bez opóźnień w produkcji i dostawie, niepotrzebnych zmian w projekcie i innych problemów, które nadal nękają niektóre inicjatywy CAD-CAM. Wreszcie, oprogramowanie CAD-CAM wciąż ewoluuje w takich dziedzinach, jak reprezentacja wizualna oraz integracja aplikacji do modelowania i testowania.

PRZYPADEK DLA CAS I CAS/CAM

Koncepcyjnie i funkcjonalnie równoległym rozwojem CAD/CAM jest CAS lub CASE, wspomagana komputerowo inżynieria oprogramowania. Zgodnie z definicją serwisu SearchSMB.com w artykule „CASE” „CASE” to wykorzystanie metody wspomaganej komputerowo do organizowania i kontrolowania rozwoju oprogramowania, zwłaszcza w przypadku dużych, złożonych projektów obejmujących wiele komponentów oprogramowania i ludzi”. Historia CASE sięga lat 70-tych, kiedy firmy komputerowe zaczęły stosować koncepcje z doświadczeń CAD/CAM, aby wprowadzić większą dyscyplinę do procesu tworzenia oprogramowania.

Kolejnym skrótem inspirowanym wszechobecną obecnością CAD/CAM w sektorze produkcyjnym jest CAS/CAM. To wyrażenie oznacza oprogramowanie do sprzedaży wspomaganej komputerowo/marketingu wspomaganego komputerowo. W przypadku CASE jak i CAS/CAM sednem takich technologii jest integracja przepływów pracy i zastosowanie sprawdzonych reguł do powtarzającego się procesu.

BIBLIOGRAFIA

Ames, Benjamin B. „Jak CAD to prostota”. Aktualności projektowe . 19 czerwca 2000 r.

„Oprogramowanie CAD współpracuje z symbolami z CADDetails.com”. Sieć nowości produktowych Product . 11 stycznia 2006 r.

'WALIZKA.' SzukajSMB.com. Dostępne na stronie http://searchsmb.techtarget.com/sDefinition/0,sid44_gci213838,00.html. Pobrane 27 stycznia 2006 r.

Boże, Alanie. „Trendy technologiczne w oprogramowaniu CAM”. Nowoczesny warsztat maszynowy . grudzień 2005.

Leondes, Korneliusz, wyd. „Projektowanie, inżynieria i produkcja wspomagane komputerowo”. Cz. 5 z Projektowanie systemów produkcyjnych . Prasa CRC, 2001.