برمجيات تصميم وانتاج

CAD/CAM software -

برمجيات التصميم والإنتاج

 

أحمد المالح

المفاهيم الأساسية	مجالات التدعائم التكنولوجيا المتقدمة في برامج التصميم والتصنيعطبيق
التصميم بمعونة الحاسوب	تقنيات الإنتاج والتصنيع المضمنة ببرمجيات التصميم والإنتاج
آلات التشغيل الرقمية المتحكم فيها حاسوبياً CNCالتصنيع بمعونة الحاسوب	مميزات برامج التصميم والإنتاج
التصنيع بمعونة الحاسوب	الوظائف الأساسية المسندة إلى برمجيات التصميم والإنتاج
برمجيات التصميم والإنتاج CAD/CAM Software:

يعد استخدام تقنية التصميم بمعونة الحاسوب(Computer Aided Design (CAD منذ أكثر من عقد من الزمن أداة فعالة لرفع مستوى جودة العملية التصميمية. وجاءت برمجيات التصميم والإنتاج CAD/CAM software نقلة نوعية للتوسع في مجال تطبيق تقنية التصميم بمعونة الحاسوب في عمليات التصنيع والإنتاج بهدف الوصول إلى أتمتة حقيقية لسلسلة هذه العمليات وتحقيق الإنتاج المؤتمت المتكامل بمعونة الحاسوب.

ومن أهم النتائج المرجوة من برمجيات التصميم والإنتاج الاستثمار الأمثل للزمن المصروف على إنجاز عملية التصميم، وتوجيهه ليساهم في تنفيذ العمليات التصنيعية، تطبيقاً لمبدأ التصميم من أجل التصنيع design for manufacturing، وبالنظر إلى إمكانات المحاكاة التي توفرها برمجيات التصميم والإنتاج (الشكل 1)، بدءاً من محاكاة حركة أداة القطع في فضاء الآلة الرقمية التي تظهر العلاقة النسبية بين الأداة والمشغولة، وملاحظة أدوات التثبيت والأجهزة الأخرى الموجودة في فضاء الآلة، وانتهاء بمراقبة الحالة النهائية لجودة السطح المشغّل، إضافةً إلى مساعدات أخرى سيأتي ذكرها لاحقاً، كل ذلك جعل استخدام هذه البرامج ضرورياً للحصول على أفضل النتائج بأمان وبأقصر زمن تشغيل. في النمط التقليدي للتصنيع الذي كان سائداً لسنوات عديدة؛ كان الرسام يضع بالتعاون مع المهندس التقني الرسوم الهندسية للقطع المراد تصنيعها، ثم يتولى مكتب تخطيط عمليات الإنتاج إسقاط هذه الرسوم على الواقع الحقيقي - بحسب الإمكانات التصنيعية للمؤسسة المنتجة - ليولد منها الخطط التقنية. وكانت هذه العملية تواجه مشاكل جمة، يعود سبب معظمها إلى العامل البشري، وعدم توفر المعطيات والمعلومات التقنية الصحيحة والمتجددة، وكانت هذه المشاكل تظهر جليةً في حال انفصال مكتب التصميم عن مكتب التصنيع انفصالاً تاماً في المؤسسة المعنية.

الشكل (1) مخطط توضيحي لبيئة برامج التصميم والإنتاج

تنشئ برمجيات التصميم والإنتاج (الشكل 2) برنامج تشغيل القطعة المطلوبة G-code الذي سينفذ على آلة التشغيل الرقمية المتحكم فيها حاسوبياً Computer Numerical Control (CNC) machine مراعياً التسلسل المنطقي لعمليات التشغيل المحددة في الخطة التقنية يدوياً أو أتماتياً. وبعد الانتهاء من بناء النموذج الهندسي التجميعي للمنظومة وإجراء الحوسبة الخاصة بالنموذج واعتماده، يقوم المسؤول بإنشاء مخطط عمليات التنفيذ من النموذج الإفرادي لكل قطعة، بعد إسقاطه على بنية افتراضية مبرمجة تحاكي عمل الآلة الرقمية بكل مكوناتها وشروط عملها. يتضمن مخطط عمليات التنفيذ الخطة التقنية، وبرامج التنفيذ على الآلات المبرمجة الرقمية، وأدوات القطع وعدد الأدوات وعمرها الافتراضي، وأبعاد المادة الخام، وأزمنة التشغيل الكلية. ويتحقق المسؤول من صحة العملية التصنيعية افتراضياً، عن طريق مشاهدة مقاطع فيديو تظهر حركة أداة القَطْع، ومسارات القِطَع، وإزالة المادة الخام، وحالة السطوح الناتجة مميزة بألوان تدل على حالة السطح ومسارات الأداة (سرعتها القصوى وسرعة التغذية) والأداة نفسها (ثنائية البعد، ثلاثية البعد، محور الأداة).

الشكل (2) المكونات الأساسية لبنية برمجيات التصميم والإنتاج

المفاهيم الأساسية:

التصميم بمعونة الحاسوب:

هي تقنية استخدام الحاسوب في عمليات نمذجة التصاميم الهندسية وتوثيقها. يوفر الحاسوب لهذا الغرض أدوات مساعدة لإدخال المعطيات الهندسية (مباشرة أو غير مباشرة) من أجل بناء مجسم القطعة افتراضياً، والعمليات المساعدة لإنشاء المساقط الهندسية، وتحديد الأبعاد الهندسية، والتسامحات، والمقاطع العرضية. تتولى عملية النمذجة هذه رسم النموذج الافتراضي الذي يمثل الشكل الهندسي الحقيقي للقطعة المراد تصنيعها؛ ويشتمل على المادة وخصائصها، وتسامحات الشكل والوضع، وجودة السطح. كما يظهر مثلاً في الشكل (3) نموذجاً لداسر عنفة مع أبعاده. كما يُمكِّن الحاسوب المصمم من إجراء الحسابات الهندسية الأساسية من مركز الثقل، وعزوم العطالة وغيرها. ويقوم بحساب الإجهادات المختلفة المساعدة، ويساعد على تحديد أماكن الضعف في القطعة التي يمكن أن تتحطم جراء تعرضها لمثل هذه الإجهادات، وذلك باستخدام طرائق النمذجة المختلفة، ومن بينها طريقة العناصر المنتهية finite element method. يمكن لمستخدمي نظام التصميم بمعونة الحاسوب - بطبيعة الحال - طباعة تصاميمهم على الطابعات أو الراسمات كما في الطرق التقليدية.

الشكل (3) تصميم ثلاثي الأبعاد لداسر عنفة يظهر أبعاده

تطورت تقنية النمذجة الهندسية بمعونة الحاسوب مع التطور الهائل لبنية العتاد والبرمجة الحاسوبية، ويمكن القول إنها تصنف على عدة مستويات: النمذجة الثنائية الأبعاد 2D modeling، النمذجة الثلاثية الأبعاد 3D modeling، الهندسة بمعونة الحاسوب computer aided engineering، النمذجة التجميعية assembly modeling، النمذجة البارامترية parametric modeling، النمذجة المتزامنة synchronizing modeling، النمذجة الحركيةmotion simulation modeling والنمذجة البشرية والبيئة المحيطة المتكاملة human modeling. يستفاد عند استخدام تقنيات التصميم بمعونة الحاسوب من المجتزآت (النسائق) الجاهزة modules، والمصممة سابقاً، ومن المكاتب الهندسية الخاصة بالشركات العالمية، وتحقيق التكامل بين النماذج بالتواصل بالزمن الحقيقي من خلال الشابكة (الإنترنت).

آلات التشغيل الرقمية المتحكم فيها حاسوبياً CNC

هي شكل متقدم من آلات التشغيل التقليدية (الشكل 4)، تنفِّذ فيها جميع الحركات النسبية بين أداة القطع والمشغولة، وحدة تحكم حاسوبية. تتميز آلات التشغيل الرقمية بالدقة التشغيلية العالية، وتشغيل السطوح المعقدة، وسرعة قطع عالية جداً، وجودة عالية لإنهاء السطوح، وزمن تنفيذ قصير نسبياً، وعدد قليل للقطع المرفوضة، وأهم ميزاتها أنها ملائمة لبيئة الإنتاج المتكامل بمعونة الحاسوب والتصنيع بمعونة الحاسوب.

الشكل (4) جزء من آلة تشغيل رقمية بخمسة محاور رقمية

تشتمل مهام وحدة التحكم الحاسوبية على: التحكم في كل أجزاء الآلة ومحاور حركتها، وإدخال المعطيات وإخراجها والبارامترات وبرامج التشغيل (يدوياً أو حاسوبياً من خلال الشابكة)، وإظهار حالة الآلة ومراقبة تنفيذ البرنامج افتراضياً أو بإظهار حركة أداة القطع على الشاشة وملاحقتها في أثناء عملية التنفيذ.

ثمة أنواع كثيرة لآلات (مكنات) التشغيل الرقمية منها:

1- آلات الخراطة الرقمية lathe CNC machine، يظهر الشكل (5) رأس المخرطة ونموذجه.

الشكل (5) محاكاة عملية تشغيل على مخرطة رقمية

2 - آلات الفرازة الرقمية milling CNC machine

3 - آلات التشغيل الرقمية بالشرارة الكهربائية أو الانفراغ الكهربائي مُتحكم فيها حاسوبياً CNC Electrical Discharge Machining machine (EDM) (الشكل 6).

الشكل (6) محاكاة عملية قص بسلك كهربائي

4- آلات اللحام الرقمية المؤتمتة (روبوت اللحام)welding CNC robots

5 - آلات القص بضغط الماء الرقمية water jet cut CNC machine

6 - آلات التشغيل بالليزر الرقمية laser CNC machine

7 - مراكز التشغيل الرقمية CNC center machine

التصنيع بمعونة الحاسوب Computer Aided Manufacturing (CAM):

هو تقنية استخدام الحاسوب من أجل التحكم والمراقبة ومحاكاة الوظائف والعمليات المؤتمتة التي تنفذها آلة التشغيل الرقمية CNC machine والآلات الأخرى ذات الصلة بعملية إنتاج المشغولات. والمعلوم أن الحاسوب يوفر النماذج التصميمية الهندسية بلغة عالمية تسمح لمهندسي التصنيع بتكامل المعطيات الهندسية برمجياً مع بيئة التصنيع. تضاف بارامترات التشغيل والمعطيات التقنية إلى المعطيات الهندسية المستوردة أو المبنية داخل البرنامج، وبحسب الخطط التقنية يجري اختيار الأبعاد الهندسية المناسبة للمادة الخام وأدوات القطع المناسبة لكل عملية تشغيل، ومن ثم تترجم الخطط السابقة بتسلسل عمليات التشغيل. واعتماداً على ما سبق يجري إنشاء البرنامج الافتراضي للتشغيل ومقاطع فيديو تساعد على تدقيق مسارات أداة القطع، وكشف الأخطاء أو العيوب، ويتولى المصمم بعدها إجراء التعديل المطلوب للحصول على المسارات المناسبة لإنتاج المشغولة المطابقة للأبعاد وتسامحاتها وسطوحها بحسب الشكل المطلوب تنفيذه. أما الخطوة التالية فهي أن يحوّل المصمم البرنامج الافتراضي إلى شكل نصي يدعى «ملف تشغيل القطعة» بعد اختيار القالب الافتراضي لآلة التشغيل الرقمية المناسبة. يختلف الملف النصي بحسب نوع المعالج النصي الموجود في وحدة تحكم الآلة الرقمية. ويعود سبب هذا الاختلاف إلى السياسات التطويرية المختلفة التي تنتهجها الشركات المنتجة للآلات الرقمية مع وجود معايير عالمية تضبط أسس وقواعد ومفردات الملف النصي لملف التشغيل. ولهذا يجب الانتباه للاختلافات عند تصدير الملف. يوضح الجدول (1) بعض الاختلافات بين أربع شركات مشهورة في تصنيع وحدات التحكم الرقمية:

الجدول (1) التعليمات المختلفة لعمليات التشغيل بحسب الشركات المصنعة

Function Agie Charmilles Fanuc Mistsubishi Rapid Traverse (M21) G00 G00 G00 Linear Interpol G01 G01 G01 G01 Circular (CW) G02 G02 G02 G02 Circular(CCW) G03 G03 G03 G03 CUTCOM/OFF G40 G40 G40 G40 CUTCM/LEFT G44 G41 G41 G41 CUTCM/RIGT G44 G42 G42 G42 CUTCOM/SET G43/Init G45/Exit G43~ G10 G43 / G44 Dwell - G04 G04 G04 Auto Fillet - G45/on G46/off G48/on G49/off G88 Absolute comm - G90 G90 G90 Incremental - G91 G91 G91 Inch Input - G70 G20 G70 Metric Input - G71 G21 G71 Circular Cone G41 G38 / G39 G50 / G51/G52

تتمايز آلات التشغيل الرقمية بالوظيفة التصنيعية الموكولة إليها، والشركة المصنعة لجهاز القيادة والتحكم الخاص بها، وعدد المحاور الرقمية. تسعى كل الشركات المصنعة لإنتاج أسرع الآلات تنفيذاً مع المحافظة على دقة عالية، وتقليل هدر المواد الأولية والطاقة في العملية الإنتاجية. وأهم اللغات البرمجية التي تستعملها وحدات التحكم والقيادة هي لغة ،G-Code وهي لغة نصية موثقه بالمعايير العالمية تحت رقم ISO 6983.

برمجيات التصميم والإنتاج CAD/CAM Software:

هي دمج كلتا البرمجيتين السابقتين معاً في حقيبة واحدة، تساعد المصمم بأدوات نمذجة، معتمدةً مبدأ التصميم من أجل التصنيع. فيكون التسريع ليس في تسريع عملية النمذجة فقط بل مع الاستفادة من المعطيات المنقولة عن الواقع التقني للتشغيل في الورشة أو المصنع أو منظومة الإنتاج المؤتمتة المرنة (Flexible Manufacturing System (FMS افتراضياً إلى بيئة البرنامج. تعد الملامح الثلاثية الأبعاد 3D modeling features من مميزات هذه البرمجيات ومنها: الثقب hole، وفتح السن (اللولب)thread hole، والتقوير reaming، والتجويف pocket، وخراطة المجرى turning groove.

طريقة العمل على هذه البيئة: يؤكد المصمم في مراحل التصميم الأولى - عند الرسم - أنه يريد تنفيذ الشكل الهندسي باختيار أحد الملامح الثلاثية الأبعاد السابقة، ولهذه الملامح خوارزميات جاهزة متضمنة في الجزء التالي، المتخصص بالتصنيع، وهي تساهم في إنشاء ملف التشغيل أتماتياً.

وفيما يلي خطوات تنفيذ ثقب في قطعة ما (الشكل 7) لتوضيح الفكرة السابقة وأهميتها:

الشكل (7) تعريف دارة التثقيب في برنامج التصميم

1- في برامج التصميم CAD ثم التصنيع CAM:

أ. رسم الشكل الهندسي في برنامج التصميم

ب. التصدير بوساطة الملفات الحيادية neutral files

ج. استيراد الشكل الهندسي (جسم واحد فقط من دون أي ملامح مساعدة)

د. تعيين دارة التثقيب يدوياً (مكان الثقب، النقط المساعدة، نوع الدارة، أدوات القطع....)

2- في برامج التصميم والتصنيع CAD/CAM

أ. رسم الشكل الهندسي في برنامج التصميم بالاعتماد على الملامح الثلاثية الأبعاد.

ب. تعرُّف مكان الثقب وتوليد دارة التثقيب والدارات الملحقة الأخرى كدارة التقوير إن كان ثمة تسامح في قطر الثقب، مضافاً إليها تكوين أدوات القطع المناسبة بالطول والقطر والنوع أتماتياً.

من قراءة الطريقتين يتبين أن الطريقة الأولى تنطوي على خسارة كبيرة في الزمن في المرحلتين ب+ج وخسارة جزئية في المرحلتين الأخريين؛ أما في الطريقة الثانية فيوجد ربح كبير جداً لأن العملية شبه مؤتمتة.

الوظائف الأساسية المسندة إلى برمجيات التصميم والإنتاج:

1- توليد مسار أداة القطع ومراقبتها

تنشأ مسارات أدوات القطع أتماتياً بالاعتماد على المعطيات الهندسية للشكل، وأدوات القطع، والسطوح المراد تشغيلها والمعلومات الخاصة بالعمليات التقنية، ومن هذه العمليات:

• تفريز التجويف cavity milling.
• تسوية السطوح planer milling.
• تشغيل الأشكال المتدرجة مع محور z.
• تنفيذ جميع عمليات التثقيب، والتوسيع، والتنعيم، وفتح السن والتقوير.
• تشغيل السطوح الهندسية المعقدة.
• التشغيل الخشن (المبدئي)، النصف النهائي، الإنهاء.

  المعلومات الخاصة بالعملية التقنية لتوليد مسار أداة القطع أتماتياً هي تحديد نقطة الانطلاق ونقطة العودة، ومستوى الأمان، والسطح المطلوب تشغيله، وأداة القطع، والحدود المحيطة، ونقطة الابتعاد، ونقطة العودة، ومقدار التغذية المحورية لكل مرحلة تنفيذ جزئية. يوضح (الشكل 8) مسار أداة القطع في عملية تفريز سطح موضحاً مستوى الأمان، ونقاط الحركة والمسارات، مع العلم أن البرنامج يقدم اقتراحات مساعدة للمعطيات السابقة قابلة للتعديل من قبل المصمم.

  الشكل (8) مسار أداة القطع لتنفيذ عملية مسح وجهة

  2- نمذجة أداة القطع

  تختلف عملية نمذجة أداة القطع من أداة إلى أخرى، ولكن يمكن القول – عموماً - إنه يجب تحديد ما يلي (الشكل 9):

  الشكل (9) تعريف البارامترات الأساسية لنموذج أداة القطع

• الشكل الهندسي لأداة القطع، وطول الأداة وقطرها.
• الشكل الهندسي لحامل الأداة، وطول الحامل، والأقطار.
• معدن الأداة.
• عدد الحدود القاطعة.
• مكان وجود الأداة في مخزن حوامل أدوات القطع.
• زمن التشغيل الافتراضي.

  من الممكن استخدام أدوات قطع معرَّفة سلفاً، وتجلب من مكتبة أدوات القطع، أو تعريف أدوات القطع المتوفرة في مستودع أدوات العدة الصناعية، وصنع بنك خاص بأدوات القطع.

  3- نمذجة المادة الخام

  تحدد في هذه المرحلة أبعاد المادة الخام وشكلها بالاعتماد على الأبعاد والشكل الهندسي للمشغولة والخطة التقنية الموضوعة لتنفيذ القطع. يضاف إلى ذلك تحديد مبدأ الإحداثيات المرجعي أو صفر القطعة، ونقاط مرجعية لتسهيل عمليات التشغيل، وأخيراً توجيه محاور الإحداثيات المحلية المساعدة على توضع القطعة في الدلائل والمثبتات على طاولة تشغيل الآلة.

  4- نمذجة آلة التشغيل الرقمية

  إن تنفيذ نموذج كامل لآلة التشغيل الرقمية بالنسائق الثابتة static modules والنسائق الديناميكية dynamic modulus، مضافاً إليه أدوات التثبيت والقياس، ضروري جداً من أجل تقرير صحة حركة مسار أداة القطع. يتوفر في برامج التصميم والإنتاج مكتبة للمكنات من الممكن الاستفادة منها مباشرة أو بناء النموذج من خلال تعديل أحد النماذج وتطويره.

  مجالات التطبيق:

• عمليات التشغيل على مكنات الخراطة الرقمية.
• عمليات التشغيل على الفارزات الرقمية.
• عمليات التشغيل على مكنات التشغيل بالشرارة الكهربائية.
• عمليات اللحام على مكنات اللحام الرقمية المؤتمتة.
• عمليات القص على مكنات القص بالماء الرقمية.
• عمليات التشغيل والقص على مكنات التشغيل بالليزر الرقمية.

  دعائم التكنولوجيا المتقدمة في برامج التصميم والتصنيع

  تُعتمد برامج CAD/CAM للاستفادة من التقانة المتقدمة وتطبيقات الحاسوب في المجالات الآتية :

• الذكاء الصنعي artificial intelligence
• النمذجة modeling
• المحاكاة simulation
• التحكم الرقمي numerical control
• الواقع الافتراضي virtual reality
• تقانة المعلومات وشبكة الإنترنت information technology

  تقنيات الإنتاج والتصنيع المضمنة ببرمجيات التصميم والإنتاج:

• التحكم الرقمي numerical control machine NC machine
• التحكم الرقمي المحوسب CNC machine
• الروبوتات robots
• مكنات تصنيع النماذج الأولية rapid prototype machine

  مميزات برامج التصميم والإنتاج

  ينتقى برنامج التصميم والإنتاج بمراعاة النقاط التالية:

  1- شمولية البرنامج (CAM) ام (CAD/CAM) أم (CIM).

  2- نظام تشغيل حاسوبي (windows - Linux - .(IBM - Intel

  3- قدرة الحاسوب المتطلب (قدرة المعالج–الذواكر RAM– مواصفات كرت الشاشة).

  4- عدد المحاور التي يمكن للبرنامج التحكم فيها.

  5- عدد القوالب الجاهزة للآلات الرقمية المبرمجة المدمجة مع البرنامج.

  6- عدد البرامج الحيادية التي يمكن أن يتعامل معها البرنامج.

  7- نوع عمليات التشغيل التي يمكن للبرنامج التعامل معها ( تفريز، خراطة، قص بالسلك، قص بالبلازما، بالماء المضغوط، بالليزر، اللحام، تصنيع النموذج السليكوني).

  8- هل النموذج الهندسي المتعامل معه سطوح أم جسم صلب.

  9- الصناعة التي يتوجه إليها البرنامج (صناعة القوالب، صناعة السيارات، صناعة المجوهرات، صناعة قطع التبديل).

  10- طريقة التفتيش والتدقيق في مسارات حركة أداة القطع.

  11- ثمن نسخة البرنامج الأصلي والإضافات الأخرى، الخدمة بعد البيع، تطوير البرنامج وتكلفة التطوير.

  مراجع للاستزادة: - Cornelius T. Leondes, Computer Aided and Integrated Manufacturing Systems, World Scientific Publishing Co. 2003. - Miltiadis A. Boboulos, CAD-CAM & Rapid Prototyping Application Evaluation, Ventus Publishing ApS 2010. - P. Radhakrishnan, S. Surbamanyan, V. Raju, CAD /CAM /CIM, New Age International (P) Ltd., New Age International 2008 - Stephen P. Radzevich, CAD/CAM of Sculptured Surfaces on Multi-Axis NC Machine, Morgan & Claypool Publishers series 2008.

---

- التصنيف : كهرباء وحاسوب - النوع : كهرباء وحاسوب - المجلد : المجلد الرابع مشاركة :