مقاله بررسی تكنولوژی طراحی و تولید به كمك كامپیوتر (CADCAM)

دسته: فنی و مهندسی
بازدید: 30 بار
فرمت فایل: doc
حجم فایل: 124 کیلوبایت
تعداد صفحات فایل: 57

مقاله بررسی تكنولوژی طراحی و تولید به كمك كامپیوتر (CADCAM) در 57 صفحه ورد قابل ویرایش

قیمت فایل فقط 6,000 تومان

مقاله بررسی تكنولوژی طراحی و تولید به كمك كامپیوتر (CADCAM) در 57 صفحه ورد قابل ویرایش

مقدمه

مقدمه  نویسنده:

رشد روزافزون تكنولوژی كامپیوتر و قابلیت‌های كنترلی، محاسباتی و گرافیكی آن موجب شده است تا این دستاورد حیرت‌انگیز بشری به عرصه طراحی و تولید قطعات صنعتی قدم بگذارد. استفاده از كامپیوتر در فرآیندهای طراحی و تولید «تكنولوژی طراحی وتولید به كمك كامپیوتر CAD/CAM

[Computer Aided Design and Computer Aided Manufacturing]

نام دارد . هنگامی كه قطعات دارای تنوع و پیچیدگی‌های بسیاری هستند و نمی‌توان برنامة ساخت آنها را توسط ماشین CNC و به كمك دست انجام داد،‌كامپیوترها و نرم‌افزارهای كاربردی در هر دومرحله طراحی و ساخت به كمك انسان می‌آیند. برنامه ریزی فرایند ساخت، برنامه‌ریزی ملزومات مواد، كنترل كیفیت و تمامی مسائل مربوط به مدیریت خودكار تولید،‌با استفاده از این تكنولوژی به راحتی امكان‌پذیر است.

در سالهای اخیر نهدهای صنعتی كشورمان نیز به تدریج به اهمیت شناخت و به كارگیری تكنولوژی 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 كشورمان برای خودم و خوانندگان آن باشد.

1-1          تاریخچة CAD/CAM

در قرن 19 انقلاب صنعتی موجب رشد توان فیزیكی بشر شد. در قرن 20 نیز دومین انقلاب صنعتی با ظهور كامپیوترها به وجود آمده و قابلیت‌های فكری بشر را رشد داده است.

امروزه بدون استفاده از كامپیوتر نمی‌توان پروژه صنعتی مهمی را انجام داد. از اواخر دهه 50 میلادی با قوی شدن ظرفیت ذخیره و سرعت عملیات كامپیوترها، كاربرد آنها در پروژه های مهندسی به طور وسیعی روبه فزونی نهاد. مخصوصاً با ظهور تكنولوژی میكروالكترونیكی VLSI یا مدار مجتمع با مقیاس بسیار بزرگ، سخت‌افزار كامپیوتر هر روز ارزان و ارزان‌تر شد؛ به گونه‌ای كه شركت‌های صنعتی تمایل پیدا كردند، تا از قابلیت‌های آن استفاده كنند. به دلیل كوچك شدن سخت‌افزار كامپیوتر، این ابزار به سرعت در زمینه‌هایی از صنعت نفوذ كرد كه به دلیل بزرگ بودن اندازة كامپیوترهای سنتی، امكان نفوذ چندانی نداشت. در نتیجه این تحولات در علم كامپیوتر، “طراحی به كمك كامپیوتر” و “تولید به كمك كامپیوتر” (CAD/CAM) به خاطر قابلیتی كه در افزودن “بهره‌وری” داشت ،‌به سرعت در صنایع مهندسی مقبولیت یافت. همان‌طور كه نام CAD/CAM نشان می‌دهد، این تكنولوژی می تواند چنین تعریف شود: “استفاده از كامپیوترها به منظور كمك به فرایند طراحی و تولید”؛ به عبارت دیگر CAD/CAM عبارت است از كابرد كامپیوترها در فرایند تولید قطعات مهندسی كه از دفتر نقشه كشی شروع شده و پس از دپارتمان تولید، كارگاه ماشین، دپارتمان كنترل كیفیت، نهایتاً به انبار قطعات ساخته شده ختم می گردد.

این تكنولوژی روشی موثر، صحیح و رضایت‌بخش را برای طراحی و تولید محصولات با كیفیت عالی بیان می‌كند. CAD/CAM شامل دو بخش جداگانه به       نام‌های ذیل می باشد:

1- طراحی به كمك كامپیوتر    Computer Aided Desing

2- تولید به كمك كامپیوتر     Computer Aided Manu facturing

این دوبخش در طی 30 سال گذشته به طور مستقل رشد كرده‌اند و هم اكنون هردوی آنها با هم تحت عنوان سیستم‌های CAD/CAM یكپارچه شده‌اند. معنای یكپارچگی این است كه كلیه عملیات طراحی و تولید می تواند در یك سیستم واحد مورد نظارت و كنترل قرار گیرد.

طراحی به كمك كامپیوتر، اساساً بریك تكنیك متنوع و قدرتمند به نام گرافیك كامپیوتری (Computer Graphics) استوار است. گرافیك كامپیوتری عبارت است از ایجاد و دستكاری اشكال بر روی یك دستگاه نمایش به كمك كامپیوتر، گرافیك كامپیوتری در سال 1950 در دانشگاه ام.آی. تی آمریكا پایه‌ریزی شد و اولین تصاویر ساده برروی كامپیوتر «ویرل‌ونید» Whirlwind نمایش داده شد. با ظهور سخت‌افزار پیشرفته كه حافظه و سرعت آن بالا و ارزان نیز بود، نرم‌افزارهای جدیدتری نیز در زمینه گرافیك به وجود آمدند. نتیجه چنین تحولی، كاربرد روزافزون CAD در صنعت بود. در آغاز، سیستم‌های CAD به صورت ایستگاههای نقشه‌كشی خودكاری بودند كه در آن رسام‌های Plotter تحت كنترل كامپیوتر، نقشه‌های مهندسی را تولید می‌نمودند.

امروزه سیستم های CAD می‌توانند به مراتب بیشتر از نقشه‌كشی عادی كار انجام دهند. برخی از سیستم‌ها دارای قابلیت‌های تحلیلی نیز هستند . برای نمونه نرم‌افزارهایی از CAD وجود دارند كه با روش المان محدود می توانند قطعات را از نظر مسائل تنش، حرارت و مسائل مكانیكی مورد تجزیه و تحلیل قرار دهند. همچنین نرم افزارهایی از CAD وجود دارند كه می‌توانند حركت قطعات را نیز مورد مطالعه قرار دهند. تولید به كمك كامپیوتر اساساً با ظهور كنترل عددی Numerical) Control) یا (NC) مطرح شد. در اواخر دهة 40 فردی به نام “جان پارسونز” Jon T.parsons روشی خاص برای كنترل یك ماشین ابزار ابداع كرد. در روش او كارت‌های سوراخ شده (Punched Cards) به كار برده شده بود. تا اطلاعات مختصاتی حركت ماشین به آن ارائه گردد. در این حالت، امكان انجام ماشین‌كاری روی سطوح موردنظر توسط ماشین میسر می‌شد. با مشخص شدن مقادیر عددی برای حركت محور ماشین ابزار، تحولی در حركت مكانی ماشین ابزار ایجاد شد. اولین نمونه ماشین NC در سال 1952 ساخته شد. تا بتواند توانایی‌های آن را بیان كند. سپس، سازندگان ابزار و صنایع تولیدی متحداً ماشین‌های NC جدیدی متناسب با نیازهایشان ساختند. در اواخر دهة 50 كامپیوترها در دسترس بودند و مسلم شده بود كه آنها می‌توانند مقادیر عددی مورد لزوم ماشین‌های كنترل عددی را تولید نمایند.

در این مرحله نیروی هوایی آمریكا با پرداخت مبالغ زیادی به دانشگاه ام.آی. تی خواستار طراحی یك برنامه‌نویس قطعه شد كه بتواند برای تعریف حركات هندسی ابزار، در ماشین‌های كنترل عددی به كار گرفته شود. نتیجه این كار پیدایش زبان APT   [Auto matically Programed Tools] شد،‌كه امروزه به عنوان زبان استاندارد ماشین NC ساخته شده است.

APT امكاناتی را فراهم می آورد كه برنامه نویس قطعه می‌تواند میان دستورالعمل‌های ماشین‌كاری و ماشین ابزار ارتباط برقرار سازد. با ATP برنامه‌نویس می تواند اشكال ابزار، تلرانس‌ها،‌تعاریف هندسی، حركات ابزار و فرامین كمكی ماشین را تعریف كند. تعدادزیادی  زبان برنامه‌‌نویسی NC نیز براساس زبان APT بعداً به وجود آمدند. همانگونه كه شرح داده شد، پیشرفت‌های اولیه CAM عمدتاً در حوزة كنترل عددی تمركز داشته است. تا این اواخر، فرامین و دستور‌العمل‌های NC هنوز در دست انسان تولید و تصحیح می‌شدند.هم‌اكنون سیستم‌های CAM می‌توانند برنامه‌های NC را با درجه‌ای از صحت ودقت بالا تولید كنند 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 كارخانه را نیز دارند؛ و جریان كار و مواد را در طول كارخانه هدایت می‌كنند. دست آورد تكنولوژیك جدیدی كه به تدریج به جمع فعالیت‌های CAM پیوست، كه در آن بازوهای متحرك خودكار، قطعات كاری و ابزارها را به كار می گیرند. ]رجوع به 1و 8[

2-1 مثالهایی كاربردی از تكنولوژی CAD/CAM در جهان

-   درسیستم‌های اولیه CAD/CAM ، بیشتر تجهیزات حجیم بودند و قیمت بالای چند میلیون دلار داشتند. همچنین برای به كاربردن آنها نیاز به یك اپراتور بود كه به كارهای برنامه‌ریزی و كاربرد كامپیوتر آشنایی داشته باشد. درنتیجه فقط شركتهای 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 شركت‌های بزرگ قرار دارد.

اما در حین سیر نزولی كه 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 مذكور در صنایع عمومی بود كه از طریق وارد شدن این سیستم‌های مستقل و نه‌چندان هزینه بر كه در آنها استفاده كننده می‌تواند عملیات طراحی خیلی پیچیده، تجزیه و تحلی و دیگر كارهای تولیدی را انجام دهد ،‌صورت گرفت. این امر یعنی بهره گیری از كامپیوترهای كوچك ،‌به استفاده كننده اجازه می‌دهد كه بدون آموختن برنامه‌نویسی و نحوة‌ كاربرد كامپیوتر، از مزایای آن بهره بگیرد. اگرچه سیستمهای خیلی پیشرفته در كارخانه‌های بزرگ باقی می‌مانند، ولی بسیاری از كارخانه های كوچك كه قبلاً توانایی خرید سیستم‌های CAD/CAM را نداشتند، هم‌اكنون جزواستفاده كنندگان 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 كارخانه ها را واداشت كه از چندین سال قبل برای تولید اقتصادی‌تر هواپیما، به فكر تجهیز كارخانه‌هایشان به سیستم‌ CAD/CAM بیفتند. به همین ترتیب ، صنایع خودروسازی این تكنولوژی را به عنوان بهترین راه ‌طراحی و تولید اتومبیل‌ها قلمداد كردند. طراحی وتولید به كمك كامپیوتر CAD/CAM ،‌امروزه ،‌به همة صنایع سرایت كرده است و در تولید بسیاری از محصولات به كار گرفته می شود.

1-2          مقدمه:

تعریف و بیان شكل هندسی یك قطعه، اولین و آخرین گام از فعالیت‌های طراحی و مهندسی را تشكیل می‌دهد. درگذشته و به طور سنتی این كار توسط نقشه‌های اجرایی دوبعدی ترسیم شده توسط دست صورت می‌گرفته است.

امروزه با پیشرفت‌های حاصله در زمینه سخت‌افزار و توسعه نرم‌افزارهای قدرتمند گرافیكی، به آسانی می توان با استفاده از داده‌های شكل هندسی یك جسم، مدل كامپیوتری سه بعدی آن را تهیه كرد. منظور از مدل كامپیوتری ، بیان ریاضی شكل هندسی یك جسم در فضای سه‌بعدی و ذخیرة آن در حافظه كامپیوتر است.

عمده‌ترین كاربردهای مدل‌سازی هندسی، به كارگیری آن در فعالیت‌های مختلف طراحی و ساخت به كمك كامپیوتر است. هنگامی كه مدل هندسی قطعه‌ای توسط كامپیوتر تولید شد،اطلاعات آن به صورت یك فایل در حافظة‌ دائمی كامپیوتر 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 تكنیك‌های جدید مدلسازی هندسی كامپیوتری توانایی‌ها وابزارهای قدرتمندی را در اختیار مهندسان و طراحان قرار می‌دهد كه 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 سینماتیكی و دینامیكی مكانیزمها و ماشین آلات ،‌تهیه برنامه NC جهت ماشین‌كاری 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 كار آسان می‌شود.

2-3 ابعاد مدل هندسی

بسته به نیاز طراح و نیز توانایی سیستم CAD مورد استفاده ،‌ابعاد  مدل هندسی برای بیان یك جسم فیزیكی در حافظه كامپیوتری به یكی از سه صورت زیر ذخیره می شود.

1-2-3 مدل دوبعدی (2D Malel) : كه برای نقشه‌های اجرایی و نماهای جسم از دیدهای مختلف و یا ساخت اجسام تخت، مثلاً طراحی مسیر حركت سیم در فرایند    و ایركات، به كار می‌رود.

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

كه برای قطعات با سطح مقطع ثابت،‌بدون دیواره‌های جانبی پیچیده، می‌تواند به كار گرفته شود. برای مثال، هر منشور یا كره می‌تواند توسط تعدادی دیسك شناخته شود.

3-2-2 مدل سه‌بعدی (3D Model)

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

3-3 انواع روشهای مدلسازی هندسی

به طور كلی در یك نرم‌افزار CAD بسته به توانایی های آن و ماهیت ساخت مدل در كامپیوتر، به سه روش می‌توان مدل هندسی یك جسم فیزیكی 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 كه یالهای جسم را در فضا تشكیل می‌دهند، در انبارة داده‌های (data base) مربوط به قطعه در حافظه ذخیره شده و برای كامپیوتر قابل درك و شناسایی هستند. این روش پایین‌ترین سطح مدلسازی كامپیوتری اجسام است. و محدودیت‌های زیادی دارد كه اغلب ناشی از نداشتن اطلاعات از هندسه جسم است. شكل
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 اینكه این نوع مدل كمترین حجم حافظه را از كامپیوتر اشغال می‌كند،‌سریع‌تر ایجاد می شود و در نتیجه هزینه كمتری دربرخواهد داشت.

با استفاده از یك سیستم CAD كه 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 بكار گرفت.

2-1-3-3 برخی از محدودیت‌های این نوع مدل‌سازی را می‌توان به صورت زیر برشمرد:

این مدل حاوی كمترین اطلاعات از جسم است و بنابراین فقط برای اجسام با شكل 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 مشترك ما بین دوجسم متقاطع عاجز است.

-        خواص فیزیكی جسم، همچون وزن، سطح مقطع، مركز ثقل و ممان ایندسی را نیز نمی‌تواند، محاسبه كند.

-        مدل قاب سیمی از یك جسم ممكن است،‌به گونه های مختلفی تفسیر شود.

3-1-3-3 برای ابهام زدایی از مدل قاب سیمی و برای اینكه این نوع مدل،‌جسم را به صورت یكه بیان كند، لازم است یكی از دوعملیات زیر در مورد جسم بكار گرفته شود:

    استفاده از خطوط بریده(خط‌چین) برای نمایش خطوط نامرئی
    بكارگیری تكنیكهای حذف خطوط نامرئی (Hidden Line Removal)

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

    تهیه نقشه‌های اجرایی
    ایجاد شبكه (MESH) برای آنالیز اجزاء محدود (F.E.A)
    تهیه مسیر ابزار برش برای ماشینكاری CNC

5-1-3-3 اجزای قاب سیمی (Wireframe Entities)

اجزای تشكیل دهنده یك 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 كه توانایی توصیف سطوح یك 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 كامپیوتر ذخیره     می‌شود. یك مدل سطوح را می‌توان به كمك تعریف سطوح روی یك قاب سیمی (Wire frame) ساخت. این عمل را می‌توان با عمل كشیدن پارچه و یا روكش روی مدل قاب سیمی تشبیه كرد.

یك مدل سطوح می‌تواند بسیاری از ابهاماتی كه در مدل قاب سیمی وجود داشت را برطرف كند. شكل شماره 2 یك نمونه، مدل Surface model را نشان می‌دهد:

به طور كلی مدلسازی سطوح؛ كاملتر، 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 مشكل‌ترند.
    نیاز به حجم بیشتری از حافظه كامپیوتر و ظرفیت ذخیره اطلاعات وجود دارد.
     سرعت فرایند به دلیل حجم زیاد داده‌ها و محاسبات كندتر است.
     نیاز به سخت‌افزار كامپیوتری 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 كاربردهای مدلسازی سطوح عبارتند از:

    تهیه تصویر پرسپكتیو
    ایجاد شبكه (mesh) برای آنالیز اجزاء محدود یا آنالیز اجزاء مرزی
    مدلسازی اجسامی كه نیاز به اطلاعات داخل حجم ندارند.
    تهیه مسیر حركت ابزار برش جهت ماشین‌كاری CNC.

جهت دریافت فایل مقاله بررسی تكنولوژی طراحی و تولید به كمك كامپیوتر (CADCAM) لطفا آن را خریداری نمایید

قیمت فایل فقط 6,000 تومان

برچسب ها : تحقیق بررسی تكنولوژی طراحی و تولید به كمك كامپیوتر (CADCAM) , پروژه بررسی تكنولوژی طراحی و تولید به كمك كامپیوتر (CADCAM) , مقاله بررسی تكنولوژی طراحی و تولید به كمك كامپیوتر (CADCAM) , دانلود تحقیق بررسی تكنولوژی طراحی و تولید به كمك كامپیوتر (CADCAM) , بررسی تكنولوژی طراحی و تولید به كمك كامپیوتر (CADCAM) , تكنولوژی , طراحی , تولید , كامپیوتر