Cad - Cam - Cae
Οι υπολογιστές στην παραγωγή
(ή ...τώρα τί κανουμε το παλιό σχεδιαστήριο;)
Δεν είναι η πρώτη φορά που θα αναφερθούμε στη χρήση των H/Y στη βιομηχανία.
Σε όλες τις επισκέψεις μας σε τεχνολογικά κέντρα των αυτοκινητοβιομηχανιών
αποκομίσαμε την εντύπωση ότι τώρα πλέον ελάχιστα μπορούν να γίνουν χωρίς
αυτούς. Σχεδιασμός, ανάλυση, έλεγχος και παραγωγή γίνονται πλέον
αυτοματοποιημένα και με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή. H αναφορά μας
όμως σε έννοιες όπως CAD, CAM, CAE, CIM μπορεί να εντυπωσιάζουν, δεν
γίνονται όμως αρκετά κατανοητές από τους μη γνώστες του αντικειμένου. Μια
προσέγγιση του θέματος από την αρχή θα μπορούσε να ρίξει λίγο φως σ_ αυτόν
το _μυστηριώδη_ κόσμο των υπολογιστών.
CAD (Computer Aided Design).
Σχεδίαση με τη βοήθεια υπολογιστή.
H κλασική εικόνα του σχεδιαστή σκυμμένου πάνω από το
σχεδιαστήριο τείνει να εκλείψει. Το σχέδιο με μολύβι και χαρτί
μπορεί να εμπνέει καλλιτεχνικά, όμως παρουσιάζει αρκετά
προβλήματα. Τα σχέδια μεταφέρονται δύσκολα, φθείρονται εύκολα
και στην περίπτωση αλλαγών ή λάθους διορθώνονται δύσκολα ή στη
χειρότερη περίπτωση γίνονται από την αρχή. Στη διάρκεια της
δεκαετίας του _70 άρχισε η χρήση των υπολογιστών για σχεδίαση
με την εμφάνιση των πρώτων σχεδιαστικών προγραμμάτων. Τα
προγράμματα αυτά δίνουν τη δυνατότητα στο σχεδιαστή, εκτός από
το να τραβήξει γραμμές, κύκλους ή άλλα γεωμετρικά σχήματα, να
κάνει πολύ εύκολα αλλαγές και τροποποιήσεις. Εκτός αυτού η
ακρίβεια και η δυνατότητα απεικόνισης λεπτομερειών δεν
συγκρίνονται με τις παλιές μεθόδους. H διακίνηση των σχεδίων
με ηλεκτρονικό τρόπο γίνεται εύκολα, με την αποθήκευσή τους σε
αρχεία σε δισκέτες ή με την αποστολή τους μέσω καλωδιακής
σύνδεσης. Όσο για το θέμα φθοράς, αυτό είναι ανύπαρκτο. H
ανάπτυξη αυτών των προγραμμάτων οδήγησε στην αυτοματοποίηση
ορισμένων ενεργειών όπως η τοποθέτηση διαστάσεων στα σχέδια ή
η διαγράμμιση επιφανειών. Με τον καιρό σχηματίστηκαν αρχεία τα
οποία περιέλαβαν έτοιμα σχέδια τα οποία είχαν συχνή χρήση και
μπορούσαν να τοποθετηθούν σε κάποιο μεγαλύτερο σχέδιο. Έτσι, ο
χρήστης δεν χρειαζόταν να τα σχεδιάσει από την αρχή και το
μόνο που ειχε να κάνει ήταν να καταφύγει σε μια τέτοια
βιβλιοθήκη και να επιλέξει αυτό που του χρειάζεται. Επίσης οι
βιβλιοθήκες του CAD περιλαμβάνουν τυποποιημένες διαστάσεις
μηχανολογικών στοιχείων (π.χ. διαμέτρους σωλήνων), βοηθώντας
στη σχεδίαση του τελικού προϊόντος. Οι πρώτες εφαρμογές ήταν
σε αρχιτεκτονικά ή μηχανολογικά σχέδια, σε δύο όμως διαστάσεις
(2D). Στην περίπτωση αυτή ήταν εύκολο να σχεδιαστούν ξεχωριστά
οι τρεις όψεις, για παράδειγμα ενός κτιρίου. Το δύσκολο όμως
ήταν, οι όψεις αυτές να συνδυαστούν για να δώσουν μια
τρισδιάστατη απεικόνισή του (3D). Το επόμενο βήμα ήταν η
τρισδιάστατη απεικόνιση, για την εφαρμογή της οποίας όμως
χρειάστηκε να αλλαχτεί η δισδιάστατη σχεδιαστική συλλογιστική.
H πρώτη προσέγγιση της τρισδιάστατης απεικόνισης ήταν η
_πλεγματική_ (Wireframe), με την οποία εμφανίζονται στην οθόνη
μόνο οι ακμές του αντικειμένου. O επόμενος τρόπος είναι η
_επιφανειακή μοντελοποίηση_ σύμφωνα με την οποία το
αντικείμενο δημιουργείται στην οθόνη με σύνθεση των επιφανειών
που το περιβάλλουν. Το πλεονέκτημα σε σχέση με την προηγούμενη
μέθοδο είναι ότι υπάρχει η δυνατότητα υπολογισμού των εμβαδών
των επιφανειών, ενώ προσφέρεται στην περίπτωση όπου το σύστημα
είναι συνδεδεμένο με πρόγραμμα ελέγχου εργαλειομηχανής. H
τελευταία μέθοδος είναι η απεικόνιση με _Στερεή Μοντελοποίηση_
όπου το αντικείμενο δημιουργείται σαν συνδυασμός απλών
γεωμετρικών σχημάτων όπως σφαίρες, κύβοι, κώνοι κ.λπ. Το σχήμα
που εμφανίζεται στην οθόνη είναι τότε ίδιο με αυτό που
σχηματίζεται με την _Επιφανειακή Μοντελοποίηση_. H διαφορά
βρίσκεται στο ότι η αναπαράσταση του αντικειμένου περιλαμβάνει
και τις φυσικές του ιδιότητες, μπορούμε δηλαδή να υπολογίσουμε
τον όγκο, το βάρος, τις ροπές αδράνειας κ.λπ. Όταν το κομμάτι
ολοκληρωθεί ο χρήστης του προγράμματος μπορεί να το
_περιστρέψει_ εμφανίζοντας στην οθόνη την όψη που επιθυμεί. Οι
πρόσφατες εκδόσεις των σχεδιαστικών προγραμμάτων δίνουν τη
δυνατότητα στο σχεδιαστή να εμφανίσει το αντικείμενο με σκιές,
όπως θα φαινόταν στην πραγματικότητα κάτω από μία φωτεινή
πηγή, κάνοντας την απεικόνιση ακόμα πιο ρεαλιστική.
CAE (Computer Aided Engineering).
Ή τεχνολογικός σχεδιασμός με τη βοήθεια υπολογιστή.
Με τον όρο αυτόν περιγράφουμε μια σειρά προγραμμάτων τα οποία
εξομοιώνουν τη λειτουργία του σχεδιαζόμενου αντικειμένου. O
σχεδιαστής-μηχανικός μπορεί να διαπιστώσει αν αυτό που
σχεδιάζει ανταποκρίνεται στις προδιαγραφές του και να
εντοπίσει προβλήματα που εμφανίζονται κατά τη λειτουργία του.
Μέσα σ_ αυτό το πλαίσιο εντάσσονται τα προγράμματα ανάλυσης με
τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (Finite Elements
Analysis). Τα προγράμματα που χρησιμοποιούν τη μέθοδο αυτή
βοηθούν το σχεδιαστή να αναλύσει τη συμπεριφορά του
αντικειμένου κάτω από τα φορτία λειτουργίας του. Συγκεκριμένα
υπάρχει η δυνατότητα υπολογισμού των τάσεων, παραμοφώσεων και
δυνάμεων που αναπτύσσονται, σαν παράγωγα της φόρτισης. Ακόμα
είναι δυνατός ο υπολογισμός και των τάσεων που αναπτύσσονται
λόγω θερμικών φορτίων όπως και η ροή θερμότητας. Για την
ανάλυση και μελέτη του, το μοντέλο χωρίζεται σε μικρά τμήματα
(κυψέλες) σχηματίζοντας ένα πλέγμα (mesh). Τα φορτία μπορούν
να τοποθετηθούν στους κόμβους, ακμές ή και στην επιφάνεια κάθε
κυψέλης. Το μέγεθος της κάθε κυψέλης εξαρτάται από την
ακρίβεια η οποία απαιτείται: όσο μικρότερες είναι τόσο
μεγαλύτερη είναι η ακρίβεια. Στα δεδομένα που εισάγονται στο
πρόγραμμα περιλαμβάνονται φυσικές ιδιότητες, όπως πυκνότητα,
αγωγιμότητα κ.λπ. H απεικόνιση των αποτελεσμάτων στην οθόνη
του υπολογιστή είναι συνήθως εντυπωσιακή. Ανάλογα με το
μέγεθος των αναπτυσσόμενων τάσεων χρωματίζονται οι αντίστοιχες
επιφάνειες, ενώ υπάρχει η δυνατότητα απεικόνισης των
παραμορφώσεων υπό κλίμακα. Επίσης η μέθοδος των πεπερασμένων
στοιχείων χρησιμοποιείται για ανάλυση κίνησης ρευστών, όπως η
ανάλυση της ροής του καυσίμου και η μελέτη της διαδικασίας
καύσης σε κινητήρες.
Ιδιαίτερα σημαντική είναι η χρήση υπολογιστικών προγραμμάτων
για την κινηματική ανάλυση ενός μηχανισμού ή και ολόκληρου
μηχανικού συστήματος. Στην περίπτωση μάλιστα όπου το σύστημα
είναι περίπλοκο, δίνεται η δυνατότητα στο μηχανικό να
μελετήσει την αλληλεπίδραση των τμημάτων μεταξύ τους Οι πρώτες
εφαρμογές έγιναν στην αυτοκινητοβιομηχανία με εξομοιώσεις
κίνησης του αυτοκινήτου για τον έλεγχο της συμπεριφοράς του.
Επίσης, η ανάλυση της κίνησης των αναρτήσεων στην οθόνη του
υπολογιστή έδωσε τη δυνατότητα στους μηχανικούς να βελτιώσουν
άνεση όπως και το κράτημα πολύ πριν κατασκευαστεί το πρότυπο.
’λλη εφαρμογή ήταν η εξομοίωση σύγκρουσης στον υπολογιστή,
όπου οι μηχανικοί μπορούν να μελετήσουν την παραμόρφωση του
αυτοκινήτου και να εντοπίσουν τα αδύναμα σημεία της
κατασκευής.
Οι διαδικασίες σχεδιασμού και ανάλυσης ενός μοντέλου είναι
δύσκολο να διαχωριστούν εντελώς, αφού τα αποτελέσματα της
ανάλυσης τροφοδοτούν με νέα δεδομένα το σχεδιασμό και
αντίστροφα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη σύνδεση των
προγραμμάτων CAD-CAE για την πιο αποδοτική χρήση τους.
CAM (Computer Aided Manufacturing)
H Παραγωγή με τη βοήθεια υπολογιστή.
H εμφάνιση των αριθμητικά ελεγχόμενων εργαλειομηχανών
(Numerically Controlled Machines) άλλαξε σημαντικά την πορεία
της παραγωγής. Στις εργαλειομηχανές αυτές η κίνηση του
κοπτικού εργαλείου ελέγχεται μέσω ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, ενώ
παρέχεται η δυνατότητα στο χρήστη να προγραμματίσει μια σειρά
κινήσεων για την ολοκλήρωση της κοπής του κομματιού. Με τα
προγράμματα CAM μπορεί να γίνει επιλογή των παραμέτρων της
κοπής, όπως του είδους του κοπτικού εργαλείου, των ταχυτήτων
πρόωσης και κοπής κ.λπ. Μετά το τέλος του προγραμματισμού ο
προγραμματιστής μπορεί να παρουσιάσει στην οθόνη του
υπολογιστή τις διαδρομές των κοπτικών εργαλείων. Εκτός από την
παραγωγή του κομματιού με τα προγράμματα CAM μπορεί να γίνει ο
σχεδιασμός της συναρμολόγησης μιας κατασκευής, να ελεγχθούν τα
ενδιάμεσα στάδια και να γίνει και ο χρονικός προγραμματισμός.
M_ αυτόν το τρόπο δίνεται στο μηχανικό η δυνατότητα ελέγχου
και βελτιστοποίησης της παραγωγικής διαδικασίας. Τελικά η
χρήση των προγραμμάτων οδήγησε στην ταχύτερη παραγωγή του
τελικού προϊόντος με τη μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια και στον
περιορισμό του κόστους.
CIM (Computer Integrated Manufacturing)
Ολοκληρωμένη Βιομηχανική Παραγωγή με τη βοήθεια υπολογιστή.
O όρος αυτός παρουσιάστηκε πρόσφατα μετά την εμφάνιση πακέτων
τα οποία περιλάμβαναν προγράμματα CAD-CAM-CAE. Τα
πλεονεκτήματα τα οποία παρουσίαζαν τα προγράμματα CAD/CAM/CAE
περιορίζονταν σημαντικά στις περιπτώσεις όπου οι εφαρμογές
αυτές ήταν ξεχωριστές και δεν υπήρχε επικοινωνία μεταξύ των
προγραμμάτων. O σχεδιασμός ενός εμβόλου, για παράδειγμα, ήταν
πολύ εντυπωσιακός όταν γινόταν στο πρόγραμμα CAD,
υποβαθμιζόταν όμως η αξία του από τη στιγμή που για την
κατασκευή του πρωτοτύπου χρειαζόταν να προγραμματιστεί η
εργαλειομηχανή από την αρχή και δεν ήταν δυνατή η μεταφορά των
υπαρχόντων δεδομένων κατευθείαν σε αυτή. Οι πρώτες
προσπάθειες είχαν σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός
προγράμματος IGES (Initial Graphics Exchange Specification) το
οποίο χρησιμοποιείται για τη μεταφορά δεδομένων ανάμεσα σε
διαφορετικά προγράμματα. H τελική λύση σ_ αυτό το πρόβλημα
δόθηκε με τη δημιουργία ολοκληρωμένου πακέτου το οποίο
περιλαμβάνει προγράμματα CAD/CAM/CAE και επιτρέπει τη ροή των
πληροφοριών από την ώρα του σχεδιασμού μέχρι την τελική
παραγωγή του κομματιού. Τέτοιου είδους προγραμματιστικά πακέτα
έχουν πλέον παρουσιάσει όλες οι μεγάλες εταιρίες λογισμικού,
υποστηρίζοντάς τα με υπολογιστικές μονάδες μεγάλης ισχύος.
Φυσικά το υψηλό κόστος αγοράς περιορίζει τη χρήση τέτοιων
προγραμμάτων μόνο σε μεγάλες βιομηχανικές εφαρμογές.
H ΑΞΙΑ TOY CAD/CAM/CAE
Από τη στιγμή που άρχισε η χρήση των υπολογιστών στη
βιομηχανική παραγωγή οι στόχοι ήταν οι εξής:
1. Μείωση του χρόνου σχεδιασμού και ανάπτυξης του προϊόντος
2. Ελάττωση του συνολικού κόστους
3. Περιορισμός των λαθών.
Χαρακτηριστικό παράδειγμα της χρήσης CIM είναι η εταιρία
Allison Transmission θυγατρική της Τζένεραλ Μότορς. H εταιρία
ειδικεύεται στο σχεδιασμό συστημάτων μετάδοσης κίνησης, από
σχολικά λεωφορεία μέχρι και βαριά φορτηγά ή στρατιωτικά
οχήματα. Σύμφωνα με την εταιρία ο χρόνος σχεδιασμού και
ανάπτυξης ενός συγκεκριμένου προγράμματος μπορεί να μειωθεί
από τα πέντε χρόνια στα δύο. Ανάλογα υπολογίζεται ότι το
οικονομικό όφελος ανά κύκλο παραγωγής θα είναι από 200.000
μέχρι 400.000 δολάρια. Οι εκτιμήσεις αυτές βασίζονται στο
γεγονός ότι θα μειωθεί ο αριθμός των πρωτοτύπων από τρία σε
δύο. Οι μηχανικοί της εταιρίας υποστηρίζουν ότι με τη βοήθεια
το συστήματος μπορούν να μελετήσουν μέχρι δέκα διαφορετικές
λύσεις στο σχεδιασμό ενός κομματιού μέσα σε διάστημα μόλις
τεσσάρων ωρών. Το διάστημα για την ίδια εργασία με την κλασική
μέθοδο θα μπορούσε να πάρει μέχρι και δέκα εβδομάδες!
Γενικά η χρήση του CIM εκτιμάται ότι μπορεί να αποφέρει
κέρδος, σε χρόνο, της τάξης του 27%, ενώ μπορεί να περιορίσει
το κόστος κατά 32%. Το κέρδος σε χρόνο επιτρέπει τη νωρίτερη
είσοδο του προϊόντος στην αγορά προλαβαίνοντας τους
ανταγωνιστές και εκτείνει το διάστημα πώλησης, ενώ η μείωση
του κόστους μπορεί να αποφέρει συμπίεση της τελικής τιμής σε
πιο ανταγωνιστικά πλαίσια.
Συμπερασματικά μπορούμε να πούμε ότι η είσοδος των υπολογιστών
άλλαξε εκ βάθρων την αντίληψη περί σχεδιασμού, ανάπτυξης και
παραγωγής ενός προϊόντος. Αυτό οδήγησε πολλές φορές σε μια
λαθεμένη εκτίμηση για τη σχέση υπολογιστών και σχεδιαστών,
φτάνοντας μέχρι βαρύγδουπες εκτιμήσεις όπως: _...το αυτοκίνητο
αυτό είναι σχεδιασμένο από υπολογιστή..._.
Λάθος! O υπολογιστής είναι το μέσο για το σχεδιασμό, είναι
απλώς το εργαλείο στα χέρια του σχεδιαστή. Καλώς ή κακώς οι
υπολογιστές, ακόμα και οι πιο εξελιγμένοι, δε γεννούν ιδέες,
βοηθούν στην υλοποίησή τους! Είναι γνωστό η ρήση για τους H/Y
_Rubbish in, rubbish out_ (εισαγωγή σκουπιδιών, εξαγωγή
σκουπιδιών), το οποίο σημαίνει ότι τα λάθος δεδομένα θα
δώσουν, προφανώς, λάθος αποτελέσματα. Ένας κακός σχεδιασμός
δεν πρόκειται να διορθωθεί από το υπολογιστικό πρόγραμμα,
μπορεί όμως να εντοπιστεί πιο εύκολα. Δουλειά του
μηχανικού-σχεδιαστή είναι να το εντοπίσει και να το διορθώσει.
Τελικά, οι ιδέες και η πρόοδος της τεχνολογίας βασίζονται
αποκλειστικά και μόνο στην ανθρώπινη φαντασία και έμπνευση. Τα
υπολογιστκά προγράμματα θα βρίσκονται στη διάθεση του
σχεδιαστή μόνο και μόνο για να κάνουν τη δουλειά του πιο
παραγωγική και γρήγορη, χωρίς όμως να μπορούν να τον
αντικαταστήσουν._4Τ