منابع و مأخذ:
۱- خلاصه تفاسير قرآن مجيد، الميزان و نمونه، نوشته عباس پورسيف.
۲- ترجمه خلاصه تفسيرالميزان (علامه طباطبايي) نوشته كمال مصطفي شاكر.

مقدمه
مقدمه نويسنده:
رشد روزافزون تكنولوژي كامپيوتر و قابليت‌هاي كنترلي، محاسباتي و گرافيكي آن موجب شده است تا اين دستاورد حيرت‌انگيز بشري به عرصه طراحي و توليد قطعات صنعتي قدم بگذارد. استفاده از كامپيوتر در فرآيندهاي طراحي و توليد «تكنولوژي طراحي وتوليد به كمك كامپيوتر CAD/CAM
[Computer Aided Design and Computer Aided Manufacturing]
نام دارد . هنگامي كه قطعات داراي تنوع و پيچيدگي‌هاي بسياري هستند و نمي‌توان برنامة ساخت آنها را توسط ماشين CNC و به كمك دست انجام داد،‌كامپيوترها و نرم‌افزارهاي كاربردي در هر دومرحله طراحي و ساخت به كمك انسان مي‌آيند. برنامه ريزي فرايند ساخت، برنامه‌ريزي ملزومات مواد، كنترل كيفيت و تمامي مسائل مربوط به مديريت خودكار توليد،‌با استفاده از اين تكنولوژي به راحتي امكان‌پذير است.

در سالهاي اخير نهدهاي صنعتي كشورمان نيز به تدريج به اهميت شناخت و به كارگيري تكنولوژي CAD/CAM پي‌برده‌اند. اينجانب نيز با توجه به مشغول بودن در صنعت هوافضا و نياز به ساخت و مدلسازي و طراحي قطعات با استفاده از اين فرآيند، اقدام به انتخاب اين موضوع براي پروژة پايان تحصيلي خود نمودم. اميد است اين اقدام، پيش زمينه‌اي براي استفاده بيشتر از اين فرايند براي توليد قطعات مورد نياز كشورمان براي خودم و خوانندگان آن باشد.  

فصل اول:
تاريخچة CAD/CAM و مثالهايي كاربردي از آن

۱-۱ تاريخچة CAD/CAM
در قرن ۱۹ انقلاب صنعتي موجب رشد توان فيزيكي بشر شد. در قرن ۲۰ نيز دومين انقلاب صنعتي با ظهور كامپيوترها به وجود آمده و قابليت‌هاي فكري بشر را رشد داده است.

امروزه بدون استفاده از كامپيوتر نمي‌توان پروژه صنعتي مهمي را انجام داد. از اواخر دهه ۵۰ ميلادي با قوي شدن ظرفيت ذخيره و سرعت عمليات كامپيوترها، كاربرد آنها در پروژه هاي مهندسي به طور وسيعي روبه فزوني نهاد. مخصوصاً با ظهور تكنولوژي ميكروالكترونيكي VLSI يا مدار مجتمع با مقياس بسيار بزرگ، سخت‌افزار كامپيوتر هر روز ارزان و ارزان‌تر شد؛ به گونه‌اي كه شركت‌هاي صنعتي تمايل پيدا كردند، تا از قابليت‌هاي آن استفاده كنند. به دليل كوچك شدن سخت‌افزار كامپيوتر، اين ابزار به سرعت در زمينه‌هايي از صنعت نفوذ كرد كه به دليل بزرگ بودن اندازة كامپيوترهاي سنتي، امكان نفوذ چنداني نداشت.

در نتيجه اين تحولات در علم كامپيوتر، “طراحي به كمك كامپيوتر” و “توليد به كمك كامپيوتر” (CAD/CAM) به خاطر قابليتي كه در افزودن “بهره‌وري” داشت ،‌به سرعت در صنايع مهندسي مقبوليت يافت. همان‌طور كه نام CAD/CAM نشان مي‌دهد، اين تكنولوژي مي تواند چنين تعريف شود: “استفاده از كامپيوترها به منظور كمك به فرايند طراحي و توليد”؛ به عبارت ديگر CAD/CAM عبارت است از كابرد كامپيوترها در فرايند توليد قطعات مهندسي كه از دفتر نقشه كشي شروع شده و پس از دپارتمان توليد، كارگاه ماشين، دپارتمان كنترل كيفيت، نهايتاً به انبار قطعات ساخته شده ختم مي گردد.

اين تكنولوژي روشي موثر، صحيح و رضايت‌بخش را براي طراحي و توليد محصولات با كيفيت عالي بيان مي‌كند. CAD/CAM شامل دو بخش جداگانه به نام‌هاي ذيل مي باشد:
۱- طراحي به كمك كامپيوتر Computer Aided Desing
2- توليد به كمك كامپيوتر Computer Aided Manu facturing
اين دوبخش در طي ۳۰ سال گذشته به طور مستقل رشد كرده‌اند و هم اكنون هردوي آنها با هم تحت عنوان سيستم‌هاي CAD/CAM يكپارچه شده‌اند. معناي يكپارچگي اين است كه كليه عمليات طراحي و توليد مي تواند در يك سيستم واحد مورد نظارت و كنترل قرار گيرد.

طراحي به كمك كامپيوتر، اساساً بريك تكنيك متنوع و قدرتمند به نام گرافيك كامپيوتري (Computer Graphics) استوار است. گرافيك كامپيوتري عبارت است از ايجاد و دستكاري اشكال بر روي يك دستگاه نمايش به كمك كامپيوتر، گرافيك كامپيوتري در سال ۱۹۵۰ در دانشگاه ام.آي. تي آمريكا پايه‌ريزي شد و اولين تصاوير ساده برروي كامپيوتر «ويرل‌ونيد» Whirlwind نمايش داده شد. با ظهور سخت‌افزار پيشرفته كه حافظه و سرعت آن بالا و ارزان نيز بود، نرم‌افزارهاي جديدتري نيز در زمينه گرافيك به وجود آمدند. نتيجه چنين تحولي، كاربرد روزافزون CAD در صنعت بود. در آغاز، سيستم‌هاي CAD به صورت ايستگاههاي نقشه‌كشي خودكاري بودند كه در آن رسام‌هاي Plotter تحت كنترل كامپيوتر، نقشه‌هاي مهندسي را توليد مي‌نمودند.

امروزه سيستم هاي CAD مي‌توانند به مراتب بيشتر از نقشه‌كشي عادي كار انجام دهند. برخي از سيستم‌ها داراي قابليت‌هاي تحليلي نيز هستند . براي نمونه نرم‌افزارهايي از CAD وجود دارند كه با روش المان محدود مي توانند قطعات را از نظر مسائل تنش، حرارت و مسائل مكانيكي مورد تجزيه و تحليل قرار دهند. همچنين نرم افزارهايي از CAD وجود دارند كه مي‌توانند حركت قطعات را نيز مورد مطالعه قرار دهند. توليد به كمك كامپيوتر اساساً با ظهور كنترل عددي Numerical) Control) يا (NC) مطرح شد. در اواخر دهة ۴۰ فردي به نام “جان پارسونز” Jon T.parsons روشي خاص براي كنترل يك ماشين ابزار ابداع كرد. در روش او كارت‌هاي سوراخ شده (Punched Cards) به كار برده شده بود. تا اطلاعات مختصاتي حركت ماشين به آن ارائه گردد. در اين حالت، امكان انجام ماشين‌كاري روي سطوح موردنظر توسط ماشين ميسر مي‌شد. با مشخص شدن مقادير عددي براي حركت محور ماشين ابزار، تحولي در حركت مكاني ماشين ابزار ايجاد شد. اولين نمونه ماشين NC در سال ۱۹۵۲ ساخته شد. تا بتواند توانايي‌هاي آن را بيان كند. سپس، سازندگان ابزار و صنايع توليدي متحداً ماشين‌هاي NC جديدي متناسب با نيازهايشان ساختند. در اواخر دهة ۵۰ كامپيوترها در دسترس بودند و مسلم شده بود كه آنها مي‌توانند مقادير عددي مورد لزوم ماشين‌هاي كنترل عددي را توليد نمايند.

در اين مرحله نيروي هوايي آمريكا با پرداخت مبالغ زيادي به دانشگاه ام.آي. تي خواستار طراحي يك برنامه‌نويس قطعه شد كه بتواند براي تعريف حركات هندسي ابزار، در ماشين‌هاي كنترل عددي به كار گرفته شود. نتيجه اين كار پيدايش زبان APT [Auto matically Programed Tools] شد،‌كه امروزه به عنوان زبان استاندارد ماشين NC ساخته شده است.

APT امكاناتي را فراهم مي آورد كه برنامه نويس قطعه مي‌تواند ميان دستورالعمل‌هاي ماشين‌كاري و ماشين ابزار ارتباط برقرار سازد. با ATP برنامه‌نويس مي تواند اشكال ابزار، تلرانس‌ها،‌تعاريف هندسي، حركات ابزار و فرامين كمكي ماشين را تعريف كند. تعدادزيادي زبان برنامه‌‌نويسي NC نيز براساس زبان APT بعداً به وجود آمدند. همانگونه كه شرح داده شد، پيشرفت‌هاي اوليه CAM عمدتاً در حوزة كنترل عددي تمركز داشته است. تا اين اواخر، فرامين و دستور‌العمل‌هاي NC هنوز در دست انسان توليد و تصحيح مي‌شدند.هم‌اكنون سيستم‌هاي CAM مي‌توانند برنامه‌هاي NC را با درجه‌اي از صحت ودقت بالا توليد كنند و مسير ابزار (Cutter Line) را براي مشخص شدن ترتيب مراحل ساخت روي صفحه تصوير Monitor سريعاً نشان دهند. برخي از اين سيستم‌ها حتي قابليت مديريت كارخانه را نيز دارند؛ و جريان كار و مواد را در طول كارخانه هدايت مي‌كنند. دست آورد تكنولوژيك جديدي كه به تدريج به جمع فعاليت‌هاي CAM پيوست، كه در آن بازوهاي متحرك خودكار، قطعات كاري و ابزارها را به كار مي گيرند. ]رجوع به ۱و ۸[

۲-۱ مثالهايي كاربردي از تكنولوژي CAD/CAM در جهان
– درسيستم‌هاي اوليه CAD/CAM ، بيشتر تجهيزات حجيم بودند و قيمت بالاي چند ميليون دلار داشتند. همچنين براي به كاربردن آنها نياز به يك اپراتور بود كه به كارهاي برنامه‌ريزي و كاربرد كامپيوتر آشنايي داشته باشد. درنتيجه فقط شركتهاي بزرگ ساخت هواپيما و صنايع هوافضا و خودروسازي قادر به استفاده از آنها بودند؛ و هنوز هم بسياري از تجيهزات سيستم‌هاي CAD/CAM تحت استفاده انحصاري اين شركت‌هاي بزرگ قرار دارد.

اما در حين سير نزولي كه در اندازه و قيمت اين مجموعه روزبه روز صورت مي‌گيرد، قدرت محاسباتي آنها بالا مي‌رود. نتيجه اين امر رشد و گسترش وسيع و سريع سيستم‌هاي مذكور در صنايع عمومي بود كه از طريق وارد شدن اين سيستم‌هاي مستقل و نه‌چندان هزينه بر كه در آنها استفاده كننده مي‌تواند عمليات طراحي خيلي پيچيده، تجزيه و تحلي و ديگر كارهاي توليدي را انجام دهد ،‌صورت گرفت. اين امر يعني بهره گيري از كامپيوترهاي كوچك ،‌به استفاده كننده اجازه مي‌دهد كه بدون آموختن برنامه‌نويسي و نحوة‌ كاربرد كامپيوتر، از مزاياي آن بهره بگيرد.

اگرچه سيستمهاي خيلي پيشرفته در كارخانه‌هاي بزرگ باقي مي‌مانند، ولي بسياري از كارخانه هاي كوچك كه قبلاً توانايي خريد سيستم‌هاي CAD/CAM را نداشتند، هم‌اكنون جزواستفاده كنندگان اين سيستم ‌ها مي باشند. البته مهمترين انگيزه استفاده از CAD/CAM افزايش بهره‌وري Productivity مهندسي است. هزينه‌هاي بسيار زياد توليد سنتي سفينه‌هاي فضايي، اين كارخانه ها را واداشت كه از چندين سال قبل براي توليد اقتصادي‌تر هواپيما، به فكر تجهيز كارخانه‌هايشان به سيستم‌ CAD/CAM بيفتند. به همين ترتيب ، صنايع خودروسازي اين تكنولوژي را به عنوان بهترين راه ‌طراحي و توليد اتومبيل‌ها قلمداد كردند. طراحي وتوليد به كمك كامپيوتر CAD/CAM ،‌امروزه ،‌به همة صنايع سرايت كرده است و در توليد بسياري از محصولات به كار گرفته مي شود.

۱-۲-۱ استفاده از تكنولوژي CAD/CAM در فضا نوردي
احتمالاً كاربرد CAD/CAM در صنايع مربوط به فضانوردي از همة رشته‌هاي ديگر قدمت بيشتري دارد؛ و شركت بوئينگ يكي از پيشتازان استفاده از اين سيستم‌ مي باشد كه درجهت توسعه و بسط آن از اولين روزهاي مطرح شدن، سهم به سزايي داشته است. در اواخر سال ۱۹۵۰ ميلادي، زبان APT را براي تشريح و توليد قطعات به كمك ماشين هاي NC با حيطه عمل نسبتاً محدودي به كار گرفت؛ و در اوايل سال ۱۹۶۰ ميلادي، در زمينه توليد قطعات هواپيمايي بوئينگ ۷۲۷، كمك بيشتري از ماشينهاي NC گرفته شد.

در اواسط سال ۱۹۶۰ ميلادي، شركت بوئينگ طرح ساخت بوئينگ ۷۳۷ را ارائه داد و خودش را در زمرة بزرگترين استفاده كنندگان تجهيزات كنترل عددي NC قرار داد. مهندسين آن، نه تنها از تكنولوژي NC براي ساخت قطعات استفاده مي‌كردند، بلكه از آن براي تشريح و تفسير معادلات رياضي سطوح پيچيده مربوط به بدنة هواپيما ، كمك مي‌گرفتند. اين تصميم منجر به ارائه برنامه APLFT شد، كه يكي از پيشتازترين برنامه‌ها در تكنولوژي توصيف سطوح تابدار پيكره‌اي مي‌باشد.

در اوايل سال ۱۹۷۰ ميلادي، كمپاني بوئينگ اولين استفاده كننده تكنولوژي APT در توسعه نقشه‌هاي مهندسي بود. در اين كاربرد، برنامه براي حركت دادن يك ماده خالكوبي در مقابل ابزار برش يك ماشين افزار به كار مي رفت. يكي از اولين پروژ‌‌ه‌هاي اصلي كه اين قدرت (رسم نقشه) را آشكار ساخت، برنامه حمل ونقل تاكنيكي ۱۴- YC بودكه براي ترسيم قسمتهاي زيادي از بدنه و بال هواپيما به كمك زبان APT مي تواند در ترسيم قطعات مشابه و هم خانواده، نظير كناره‌ بالها و بدنه هواپيما كارايي خوبي داشته باشد.

اما نكته قابل توجه‌تر اين بود كه اين كوششها همگي نشان دادند كه يك سيستم كامپيوتري، مي‌تواند در طراحي و توليد قطعات پيچيده خيلي مثمر ثمر افتد. اين تلاشها پايه اي براي توسعه روز‌افزون اين مجموعه‌هاي پيشرفته، در راستاي رسيدن به سيستمهاي مجتمع شده CAD/CAM بود كه بتواند تمام كارهاي توليد و طراحي را به خوبي انجام دهد. در اواسط سال ۱۹۷۰ ميلادي، شركت بوئينگ از سيستمهاي كامپيوتري گرافيكي متقابل، براي توليد بوئينگ ۷۴۷ استفاده نمود. اين سيستمهاي تبادلي، اپراتور را قادر ساخت تا نقشه قطعات را ترسيم نموده و آنها را بدون فوت وقت در قابل يك شكل گرافيكي نمايش دهد؛ و در نتيجه ساختارهاي NC در سيستمهاي كنترل كامپيوتري توليد و استفاده از تجهيزات اين مجموعه‌ها، به صورت چشمگيري افزايش يافت.

به عنوان مثال،‌مي‌توان ماشينهاي پرچ عظيمي كه در طول هواپيما، به حركت در‌مي‌آيند و به طور خودكار سوراخهايي در بدنه ايجاد نموده، بعد خزينه‌ زني مي كنند و سپس پرچ را در سوراخ قرار داده و پرچ مي‌كنند،‌نام برد . شركت بوئينگ ،‌هم اكنون قابليتهاي CAD/CAM را براي خانواده جديد توليداتش، يعني هواپيما بوئينگ ۷۵۷ و ۷۶۷ و ۷۷۷ به كار مي‌برد. در بوئينگ ۷۶۷ بيشتر از هر هواپيماي ديگري از سيستمهاي CAD/CAM استفاده مي شود. حدود شش‌هزار نقشه (چيزي در حدود %۳۰ از كل هواپيما) قرار است توسط CAD/CAM توليد شوند. اين نقشه‌ها براي طراحي قطعاتي است كه ۹۰% وزن بدنه هواپيما را تشكيل مي‌دهند.

نقشه‌هاي ترسيم شده براي بوئينگ، حاصل تركيبي از به كارگيري زبان APT و گرافيكهاي تبادلي بود. اساساً زبان APT براي تعريف سطوح قطعات مشابه به كار مي‌رود، در ضمن اين كه سيستمهاي گرافيكي براي افزودن جزئياتي نظير چهارچوب‌ بالها، ستونهاي عقب و جلو و زه‌هاي ستونهاي داخلي به كار مي‌روند، هر ساختاري مربوط به قطعات مختلف، باتبديل پارامترهاي مربوط به آن قطعه به زبان APT، مي‌تواند توليد شود و نتايج مربوط به هندسه قطعه نيز مي تواند بعداً به يك ترمينال CAD/CAM انتقال داده شده و اطلاعات اضافي به آن افزوده گردد. با تركيب همه اين اطلاعات در قالب يك پايگاه اطلاعاتي جامع، قطعات نهايي هواپيما در كامپيوتر روي هم مونتاژ مي‌شوند تاوضعيت آنها از حيث لقي وسائل انطباق بررسي شود. به عنوان مثال، ممكن است عملكرد چرخ‌دنده‌ها در اثر عدم روغنكاري و خشك كار كردن آنها بررسي گردد؛ يا مسير سيم‌هاي برق و لوله‌ها از ميان قسمتهاي مختلف هواپيما، مورد مطالعه قرار گيرد.

طرح‌هاي ارائه شده در جهتي آماده شده بودند تا سرويس‌هاي كامپيوتري بوئينگ را آن‌قدر واضح و روش نمايند كه همة‌ مهندسين بتوانند با پايگاههاي اطلاعاتي عظيم از طريق ترمينالهاي گرافيكي ارتباط برقرار كنند. اين امر شامل همة مهندسيني كه در سراسر ايالات متحده آمريكا و ديگر جاها كار مي‌كنند مي گردد، تا بتوانند با پايگاههاي اطلاعاتي از طريق ترمينالها گرافيكي و با دادن هندسه شكل قطعات براي طراحي و تجزيه و تحليل ساختاري آنها، ارتباط برقرار كنند.

طبيعتاً ،‌زمان حل مساله بطور محسوسي كاهش خواهد يافت، طر‌ح‌ها مجتمع‌تر و مطالعات و بررسي‌ها جامع‌تر خواهند شد و وسايل ارتباطي توسعه خواهند يافت.
همة توليد‌كنندگان اصلي هواپيما، همپاي نيروي هوايي آمريكا در جهت توسعه زمينه‌هاي استفاده از CAD/CAM گام برمي‌دارند. متمركزترين كوشش نيروي هوايي و اصلي‌ترين پروژة آن، برنامة ICAM مي باشد كه هدف نهايي از ارائه آن رسيدن به كارخانه‌هاي خودكار براي توليد هواپيما مي باشد. با وجوداين، استفاده از CAD/CAM در ديگر وسائل و تجهيزات نيروي هوايي نيز وجود دارد. صدها مهندس نقشه‌كش ، كه روي طرح ريزي پلان همكف در بيشتر مراكز مهندسي سايتهاي لازمه كار مي‌كنند، در مؤسسه «آرنولد» براي طرح‌ريزيهاي آتي مشغول به كار هستند. طرح‌هاي فعلي محدود به مختصات و هندسه شكل دوبعدي مي‌شود.

اما طرح ها در حال بسط يافتن به سوي سيستمهاي كاملاً سه بعدي مي‌باشند. هنگامي كه اين طرح‌ها كاملاً تجهيز شدند، براي توليد اجزاي پيچيده هواپيما‌ها روي سيستمهاي كنترل عددي سيستم DNC (Desing Numerical Control) به كار گرفته مي‌شوند و مي‌توانند براي انجام تست پروژه هاي مربوط به نيروي هوايي نيز مورد استفاده قرار گيرند. روزبه روز در توليد هواپيماهاي سبك نيز از CAD/CAM بيشتر استفاده مي شود. شركت «پيپر» براي ايجاد طرح‌هاي مهندسي و تجهيز وسايل خود از سيستم MCAUTO.CADD بهره گرفته است. از اين سيستم در توليد قطعات هواپيماي مدل Cheyenne III بهره فراواني گرفته شده است.

كاربرد اين سيستم ،‌در كاهش زمان توليد و حذف خطاها خيلي مثمرثمر مي باشد. شركت “پيپر” به اين نكته واقف گرديده است كه استفاده از CAD/CAM ارتباط ميان بخشهاي مختلف عملياتي را در ايالتهاي مختلف فلوريدا، پنسيلوانيا و كاليفرنيا خيلي تسريح مي‌نمايد. با دادن اين طرح، اطلاعات مربوطه بر روي ترمينالهاي گرافيكي از طريق خطوط تلفني منتقل مي‌شد و مهندسين هركدام از اين قسمتها، بطور يكسان و بدون هيچ تبعيضي مي‌توانستند،‌طرح داده شده را تحت بازنگري قرار دهند. شركت “پيپر” از برنامه‌اي به نام CADD ، تحت عنوان FAST CUT براي توليد ساختارهاي NC كه در ماشينهاي پرس، فرز چند محوره و ماشينهاي مورد استفاده مي‌باشد، كمك مي‌گيرد. برنامه FACT CUT با ايجاد يك رابطه تبادلي از روي هندسه سيستم CADD ،‌يك نوار NC تهيه مي‌كند كه به كمك آن مي‌توان عمليات خط‌كشي روي فرز Scribing هسته زني، پرچ‌كاري، فرزكاري و سوراخ كاري و ديگر كارهاي توليد را كنترل نمود. در نتيجه شركت “پيپر” طرح قطعات را با سيستم CADD تهيه مي‌كند و براي توليد آنها از سيستم FAST CUT و توليد نوارهاي NC كمك مي‌‌گيرد.

۲-۲-۱ استفاده از سيستم CAD/CAM در خودروسازي:
صنايع خودروسازي عموماً با سيستم‌هاي CAD/CAM سازگار بوده است . تكنولوژي كامپيوتر مهندسين را وادار مي‌سازد كه طرح‌هاي جديد خودروها را به سمت ايجاد ايمني بالاتر و كاهش وزن خودرو براي مصرف سوخت كمتر پيش ببرند. در مجموع، زمان و هزينه ساخت اتومبيل‌ها در صورت به كارگيري سيستمهاي CAD/CAM كمتر مي شود.

اساساً تكنولوژي كامپيوتري، مهندسين را قادر ساخته است تا به صورت خيلي بهتر مديريت دهها هزار متغير مربوط به طرح اتومبيل را به عهده بگيرند و تمام مسائل درگير با طرح مربوطه را زيرنظر داشته باشند. صاحب‌نظران در زمينه صنعت چنين مي‌گويند كه وسايل ايمني بيشتر، مسائل محيطي و تجهيزات كم كردن مصرف سوخت در اتومبيل توسط دولتهاي فدرال چنان دقيق و سريع توسعه داده ‌شده اند كه اين امر واقعاً براي آدمي ميسر مي شود كه به تنهايي و با سرعت لازم بتواند نقشه‌هاي مهندسي را تغير داده و اصلاح نمايد. همچنين آنها معتقدند كه كامپيوتر براي طراحي خودرو، يك ضرورت است. زيرا به وسيلة كامپيوتر مي‌توان استانداردهاي لازم را به خوبي رعايت نمود.

با همة‌ آنچه گفته شد، اين فقط قطعات مكانيكي نيستند كه توسط كامپيوتر مدلسازي مي‌شوند. يكي از جديدترين استفاده‌هاي تكنولوژي CAD/CAM درشركت «كرايسلر» (Chrysler) صورت مي‌گيرد. اين تكنولوژي ماكتي تحت عنوان «سايبرمن» مي باشد. اين مدل كامپيوتري براي ارزيابي نحوة دادن صندليهاي داخلي اتوبوس و دستگيره‌ها به كار مي‌رود.

مدل كامپيوتري فوق، مهندسين را قادر مي‌سازد تا بتوانند در مراحل اوليه طراحي وسيله نقليه، وضعيت‌ مسافرين را پيش بيني كرده و از صرف هزينه‌هاي ساخت فيزيكي وسيله جلوگيري نمانيد. مدل مي‌تواند براي جاها و موقعيت هاي مختلف برنامه‌ريزي شود. و سپس روي صفحه يك ترمينال گرافيكي چه به عنوان يك قطعه الصاقي و يا يك طرح نهايي يا قاب سيمي مورد بررسي قرار گيرد.

شبيه سازي سيستمها، يكي از مهمترين مسائل در به كار بردن سيستمهاي CAD/CAM مي باشد كه در صنايع خودروسازي نقشي بسيار مهم را ايفا مي‌كند. با به كارگيري روش شبيه‌سازي، يك مدل دقيقي از وسيله نقليه ساخته شده و تمام حالات و قيود و بارهاي اعمال شده در حالت واقعي برآن اعمال مي شود و مدل نيز پاسخهاي لازم را به عملهاي وارده به آن درست مشابه يك ماشين واقعي مي‌دهد. مدل شبيه سازي شده و سيستم مدل‌سازي كردن، همة خصوصيات قطعات از تاير و كمك فنرها گرفته تا تمام بدنه ماشين را نشان مي‌دهد.

داده‌هاي اضافي كه به مدل سيستماتيك داده مي‌شود، نمايشگر بارهاي خارجي وارد برقطعه نظير برخورد بين لاستيك و گلگيرها و ديگر اشكالاتي است كه ممكن است در حين حركت خودرو پيش بيايد.

كامپيوتر، همة‌ اين دستة اطلاعات را جمع‌بندي كرده و سپس يك برآورد دقيق از رفتار وسيله نقليه در حين شرايط مختلف كاري را به شكل يك مدل شبيه سازي شده نقاشي متحرك ارائه مي‌دهد كه بيانگر تغيير شكلهاي به وجود آمده در ساختار وسيله نقليه مي باشد. جابه‌جايي واقعي و تغيير شكلهاي وارد بر قطعه، بسيار كوچك بوده و سريع صورت مي‌پذيرد. بنابراين مدلهاي شبيه‌سازي اين تغيير شكلها را به صورت اغراق‌آميز و بزرگ شده و در قالب حركت آهسته نشان مي‌دهند تا تمام تغيير حالتها به وضوح نشان داده شده و بررسي شوند.

برمبناي اين مدلهاي شبيه‌سازي شده، طرح خودرو ممكن است آن قدر مورد تجديد نظر و شبيه‌سازي قرار گيرد تا نهايتاً به يك طرح اجرايي منجر گردد. در اين شيوه، مدل بدون به كارگيري هيچ وسيله سخت افزاري در كامپيوتر مورد تجزيه و تحليل و طراحي قرار مي‌گيرد. اصولاً، طرحهاي حاصل از به كارگيري سيستمهاي CAD/CAM يك طرح بهينه خواهد بود. زيرا كه حالتهاي مختلف يك طرح شبيه سازي شده، وبهترين حالت آن انتخاب مي شود. در مقابل آن، فرايند تكراري ساختن و آزمايش كردن مي باشد كه نيازمند اندازه‌گيريهاي فيزيكي زيادي نيز هست. در شرايط طراحي توسط نيروي انساني و روشهاي دستي، طرح ماكت، طرح قابل قبول (Feasible) مي‌تواند گردد و ممكن است هميشه بهترين طرح نباشد. زيرا كه تغييرات كلي در طرح، در حين ساخت ممكن نيست و آنها بعداز ساخت و طي كردن حداقل مراحل اوليه آن،‌مشخص مي گردد.

بازدهي و كارآيي تكنولوژي CAD/CAM در طراحي خودرو، موقعي آشكار شد كه كمپاني «جنرال موتورز» از سيستم شبيه‌سازي كامپيوتري درطرح ماشين‌هاي سري Full-Sized Bبهره گرفت. اين تكنيك ،‌به مهندسين اين توانايي را مي‌داد تا از وزن ماشين با حفظ سرعت و قابليت و كيفيت حمل ونقل،‌آن حدود ۵۰۰ كيلو بكاهند. ديگر سودهاي حاصل از به كارگيري شبيه‌سازي كامپيوتري در صنايع اتومبيل سازي، كاهش هزينه و زمان ساخت محصولات مي باشد. براي مثال،‌در طرح ماشين «كاديلاك سويل» Cadilac Seville)) زمان زيادي روي شبيه‌سازي كامپيوتري آن صرف شده و يك طرح خوب و قابل اجرا در مدت ۶ ماه وكمتر از زمان پيش‌بيني شده بدست آمد.

تجزيه و تحليل مدل اجسام محدود، تكنيك ديگري است كه در صنايع اتومبيل سازي براي تشخيص نقاط پرتنش در قطعاتي نظير گلگيرها كه خيلي ضربه‌پذير و مستهلك شونده هستند، كاربرد زيادي دارد. با استفاده از اين روش، تحليل‌گر مي‌تواند اثرات تغيير شكل در طرح و يا تغيير مواد خام براي ساخت قطعات را بررسي كند. شركت «كرايسلر» قصد دارد در طرح سريع‌ترين ماشين خود با بهره‌گيري از روش مدل اجسام محدود، با يك آزمايش امكان به كارگيري قطعات سبك نظير پلاستيكها، گرانيتها و فولادهاي با استحكام بالا، حدود ۱۳۰۰ پوند از وزن متوسط وسيله نقليه بكاهد. به همين ترتيب، در شركت «فورد» نيز از روشهاي مدل اجسام محدود و تكنولوژي وابسته به آن استفادة‌ چشمگيري مي شود و مدلهاي «سكورت- لينكس» (Secoret/lynx models) از اولين خطوط توليد اين كارخانه است كه تمام مراحل آن از CAD استفاده مي شود.

همچنين روش اجسام محدود براي بررسي نحوة انهدام خودروها نيز به كار مي‌رود. در اوايل سال ۱۹۶۰ ميلادي، تنها راه بررسي اين مقوله برخورد يا تصادم اتومبيل با مانع بوده بعداً، شبيه‌سازي كامپيوتر مبتني برقسمت داده‌ها براي مطالعة ديناميك خرد شدن وسيله نقليه واثر آن برمحيط اطراف خود مورد استفاده قرار گرفت و شبيه‌سازي نحوة انهدام خودرو، به عنوان يك ابزار مطمئن در طراحي خودرو، به كار گرفته شد. اما اين روش هنوز هم، نيازمند به دادن اطلاعات تجربي و غيرعلمي مي‌باشد، تا بتواند تغييرات پلاستيكي ايجاد شده در ساختار را نشان دهد.
۳-۲-۱ استفاده از سيستم CAD/CAM در صنايع عمومي:
اگرچه صنايع هواپيماسازي و خودروسازي هنوز هم بزرگترين استفاده‌كنندگان از سيستم CAD/CAM مي‌باشند ولي كاربرد آن در زمينه‌هاي مختلف صنايع عمومي خيلي سريع گسترش يافته است.

بسياري از تكنيك‌هايي كه در صنايع هواپيماسازي و خودروسازي به كار گرفته مي‌شود، مي‌تواند عيناً و مستقيماً به ديگر انواع تجهيزات نظير ماشين‌آلات راه‌سازي و كشاورزي نيز منتقل شود در نتيجه، شركت‌هايي نظير شركت بين‌المللي «هاروستر» و شركت تراكتورسازي «كاترپيلار» سرمايه‌هاي زيادي را روي طراحي و توليد به كمك كامپيوتر صرف كرده‌اند. در مجموع، صنايع نظامي هنوز هم بيشترين سرمايه‌گذاري روي اين سيستم داراست. نيروي دريايي آمريكا، حدود ۱۰ ميليون دلار را روي سيستم هاي پيچيده گرافيكي تبادلي، به منظور بهره‌گيري در ساخت ناوهاي جنگي و كشتيها صرف نموده است. مدلهاي مربوط به كشتيهاي مختلف، در حافظه كامپيوتر ضبط مي شود. با كمك اين پايگاه اطلاعاتي،‌مي‌توان جزئيات ساختاري مربوط به طرح را به نمايش درآورد.

طراحان ممكن است اطلاعات مربوط به اثر باد،‌حركت امواج و ديگر محدوديت‌هاي محيطي را، براي بررسي رفتار كشتي روي دريا به كامپيوتر بدهند.
استفاده از سيستم CAD/CAM در توليد ماشين‌افزارها نيز جاي خاصي دارد. شركت توليد ماشين‌افزار «بنديكس»، داراي سيستمي براي طراحي چرخ‌دنده‌هايي است كه موتور محركه را به چندين محور ماشين‌افزار وصل مي كنند. سيستم CAD/CAM ،‌اندازة نهايي چرخ‌دنده‌ها و نحوة‌ درگيري آنها را از استفاده كننده مي‌پرسد و سپس برمبناي آن، سرعت محور خروجي را مي‌دهد. همچنين سيستم قادر است بگويد كه چگونه يك چرخ دنده را در جعبه دنده جا بزنيم تا تداخل و برخوردي صورت نگيرد. در مجموع مي‌خواهيم بگويم كه سيستم CAD/CAM قابليت توليد نوارهاي كنترل عددي يا NC ،‌براي تراش تمام چرخ دنده‌هاي موجود در جعبه دنده را دارد.

به علاوه شركت «بنديلكس» داراي برنامه‌اي است كه به مقايسه هزينه و راندمان خطوط انتقال مختلف مي‌پردازد. نرم‌افزار به كار گرفته شده در اين شركت،‌مشابه نرم‌افزاري است كه در شركتهاي «فورد» و «جنرال موتورز» براي بررسي راندمان سيستمهاي مونتاژ اتومبيل به كار مي‌رود. با كمك اين سيستم،‌حالتهاي گوناگون پيش آمده براي خطوط انتقال ،‌به مجموعه‌ داده مي شود و سيستم كارايي مربوط به عمليات را نشان مي‌دهد. فاكتورهايي كه توسط كامپيوتر باهم مقايسه مي شوند، شامل عوامل مانند: نوع ماشين، پالتهاي موجود در هر ماشين، تعداد قطعه در هر پالت، اندازة پالت، طول ايستگاه كاري،‌زمان عملياتي،‌تعداد تعويض ابزار و فاصله و زمان انتقال مي شود.
درشركت «هيوقس» Hughes))، براي طراحي سرمته مربوط به مته‌هايي كه درون سرمته‌هاي آن شياري براي پمپاژ كردن روغن وجوددارد و به منظور خنك كردن سرمته در آن تعبيه شده است، با بهره‌گيري از يك سيستم CAD «اپليكون» زمان طراحي به نصف خواهد رسيد. اين نحوة كاهش در پيش زمان توليد ، در زمينة مربوط به اكتشافات نفت، جايي كه طرح سرمته‌ها توسط افراد عادي و با كم توجهي و براي برطرف كردن مسائل مورد سوراخكاري طراحي مي شدند و سپس مي‌شكستند، بسيار مهم و حياتي مي باشد.

يكي از بزرگترين شركتها در صنايع عمومي كه از CAD/CAM خيلي بهره مي‌گيرد، شركت «جنرال الكتريك» است. به ازاي هر ۱۰ مهندس در شركت مزبور، يك ترمينال گرافيكي وجود دارد و شركت قصد دارد در ۱۰ سال آتي ،‌تعداد اين ترمينال‌ها را افزايش دهد. در حال حاضر، حدود ۸۰۰ نوع كاربرد مربوط به ترمينالهاي گرافيكي درشركت «جنرال الكتريك» وجود دارد،‌كه بيشتر آنها براي طرحي لوازم خانگي وتوليدات وابسته به آنها مي‌باشند.
سرمايه‌گذاري شركت «جنرال الكتريك» در زمينه سيستم‌هاي CAD/CAM بسيار بالا است. اين هزينه در سال ۱۹۸۰ ميلادي، بالاي بيليون دلار برآورد شده است كه حدود تا از اين مقدار، صرف خود سيستم‌ها و اجزاي جانبي آن شده است.

شركت «جنرال الكتريك»، همواره يكي از بزرگترين شركتهاي انحصاري استفاده كننده از تجهيزات گرافيكي متقابل و همچنين بزرگترين مشتري شركت‌هاي بزرگ عرضه كنندة سيستم‌هاي كامپيوتري نظير كامپيوتر «ويژن» (Computer Vision) و «اپليكون» (Applicon) بوده است.
شركت مزبور، از طراحي و توليد كامپيوتري براي انجام كار‌هاي مختلفي در رابطه با محصولاتش بهره مي‌گيرد. براي مثال،‌نحوة سرد شدن قطعات پلاستيكي ريخته‌گري شده، در صورت شكل گرفتن عمل، شبيه‌سازي مي شود. طرح مدل بعداً مي‌تواند تغيير داده شده و دوباره شبيه‌سازي گردد، نهايتآً به يك تابع توزيع حرارت مناسب برسد. اين روش، روشي بالاتر از روشهاي قبلي بود كه در آن، قطعه ريخته مي شود وسپس توسط روش سعي و خطا به تابع توزيع حرارت دست مي‌يافت و از آنجا كه شركت «جنرال الكتريك» در هر سال بيش از ۱۳۰ ميليون پوند قطعه پلاستيكي مي‌سازد، اين روش منجر به صرفه‌جويي مبلغي معادل ۱۰۰ميليون دلار شد. علاوه براين تكنيك روش مدل اجسام محدود را عيناً براي ريخته‌گري (Casting) ،‌آهنگري Forging)) و حديده‌كاري Ectrusion)) نيز به كار مي‌برند.]رجوع به ۲[.

فصل دوم:
مباني CAD/CAM

مباني CAD/CAM
1-2 مقدمه
امروزه با توجه به رشد و توسعه روز افزون كامپيوتر و صنايع كامپيوتري در تمام زمينه‌هاي علمي و فني، هنري، خدماتي و اكثر فعاليت‌هاي تجاري، دولتي، نظامي و … استفاده از كامپيوتر در امور ياد شده بالا اجتناب ناپذير مي‌نمايد. علي‌الخصوص طي سالهاي اخير باتوجه به برتريها ومزاياي كامپيوتر اين وسيله نقش خود را به عنوان ابزار قدرتمندي درطراحي و توليد يك محصول نيز تثبيت نموده است.
در بخش زير نقش كامپيوتر در فعاليت‌هاي مختلف طراحي، فعاليت‌هاي مختلف ساخت، فعاليت‌هاي مختلف موجود در يك چرخه توليدي ونهايتاً اتوماسيون و سيستم‌هاي اتوماتيك تشريح مي گردد.

بنابه تعريف CAD/CAM تكنولوژي مبتني بر استفاده از كامپيوتر در كليه فعاليت‌اي طراحي وساخت يك محصول مي باشد. جهت آشنايي بيشتر با بحث‌هاي مطرح شده در اين فصل ابتدا لازم است كه مراحل مختلف دريك چرخه توليد معرفي گردد.
۲-۲ بررسي مراحل مختلف در يك چرخه توليد
به طور خلاصه اهم فعاليت‌هاي انجام گرفته در چرخة توليد يك محصول به شرح زير مي باشد:
۱-۲-۲ ثبت و سفارش (Sales)
هرساختار يا سازمان توليدي داراي توانايي‌هاي بخصوصي مي باشد. استفاده و به كارگيري صحيح اين توانايي‌ها نياز به تعيين بازارهاي مناسب دارد. تعيين بازار شامل بررسي و تعيين پارامترهاي مختلفي نظير مقادير كمي توليد، رقابتهاي بالقوه و بالفعل در بازار و … مي باشد. پس از مشخص شدن بازار و چگونگي توسعه آن درآينده، محصولات براي ساخت شناسايي يا طراحي مي‌شوند. توجه به اين نكته ضروري است كه مراحل ثبت و سفارش يا براساس ارائه نمونه‌ها (Prototype) و يا براساس ارائه مشخصات محصول انجام مي‌گيرد. پس از انجام اين مرحله ايده اولية محصول (Product Concept) شكل مي‌گيرد.

۲-۲-۲ طراحي محصول (Product desing)
اين مرحله شامل طرح‌هاي مختلفي از جمله طراحي‌هاي مكانيكي، الكترونيكي و … مي‌باشد.
دراين مرحله فعاليت‌هاي طراحي ديگري شامل طراحي مربوط به مواد اوليه طراحي صنعتي و آناليز مهندسي محصول صورت مي گيرد. از نكاتي كه در اين مرحله مي‌بايست به آن توجه نمود، مي‌توان به موارد زير اشاره نمود:
– طراحي ‌يك محصول كارا و قابل اطمينان با ظاهر جذاب
– مساله انتخاب مواد
– ارگونومي محصول
– كارايي بهينه‌(به جهت بالانس نمودن هزينه‌هاي ساخت و قابليت‌هاي محصول)
– تعمير و نگهداري محصول و بازيابي محصول يا مواد اوليه آن پس از پايان عمر مفيد
– سهولت ساخت
– حجم و نرخ توليد (شامل بررسي روشهاي مختلف توليد)‌
– امكان تحقيق و توسعه محصول

۳-۲-۲ آماده سازي مقدمات توليد (Product Preparation)
پس از اتمام مراحل مختلف مربوط به طراحي يك محصول مي‌بايست مقدمات توليد شامل موارد زير را آماده نمود:
– تهيه نقشه‌هاي اجرايي (از طريق ايجاد بانك‌هاي اطلاعاتي database)
– تعيين قطعات قابل ساخت در داخل و خارج سازمان توليدي
– تعيين صورت حساب مواد (bill of material)
4-2-2 فعاليت‌هاي مهندسي ساخت (Manufacturing Egineering Activities)
اين مرحله شامل تهيه قيدوبندها و راهنماهاي مربوط به ساخت (Jig، Fixtrure، Guide و …)
و انجام اقداماتي در جهت سهولت ساخت با روش توليد موردنظر مي باشد.
۵-۲-۲ تحقيق و توسعه فرايند (Process research development)
اين مرحله در يك چرخه توليدي شامل موارد زير مي باشد:

– انتخاب فرايند مناسب توليد
– بهينه كردن فرايند (شامل توسعه فرآيندهاي قديمي يا خلق فرآيندهاي جديد دركارخانه يا آزمايشگاه يا …)
– مدلسازي جهت كشف پارامترهاي فرايند (شامل مدلهاي فيزيكي و مدلهاي رياضي)
– درنظر گرفتن ملاحظات محيطي (شامل شرايط محيط زيست،‌آلودگي صوتي و …)
– فرايند نويسي
۶-۲-۲ فرايند توليد (Processing)
در اين مرحله وظايف اصلي مربوط به بخش ساخت (Manufacturing) انجام مي‌گيرد.
بخشي از اين وظايف عبارتند از:
– طراحي آرايش مناسب ماشين‌آلات
– توليد قطعات
– چك و كنترل رفتارهاي بحراني فرايند ،‌ابعاد و كيفيت
– انبار نمودن و حركت و جابه‌جايي مواد خام اوليه، قطعات نيمه تمام و تمام شده، ابزارها وقالب و نهايتاً قيدوبندها
– مونتاژ قطعات
– كنترل كيفي محصول

۷-۲-۲ سازمان توليد (Manufacturing Organization)
اين مرحله شامل موارد زير مي باشد:
– تعيين مسير مواد خام و ابزار
– برنامه زمان‌بندي براي رسيدن به محصول نهايي
– بررسي وضع توليد در شرايط فعلي
– زيرنظر گرفتن بار ماشين‌آلات
– به روز درآوردن صورت حساب‌ها و موجودي‌ها و … ۰
– نظارت دائمي بربارگذاري و به كاربردن ماشين‌ها،‌چگونگي عملكرد ماشين‌آلات و نيروي كار
– تجزيه و تحليل راندمان توليد
۸-۲-۲ فرستادن محصولات به بيرون از كارخانه
اين مرحله از چرخه توليد شامل بررسي و تعيين مقولات زير مي باشد:
– انبارداري و ثبت موجودي، فرستادن اطلاعات موجودي به بخش فروش(Inventory)
– بخش فروش و بازرگاني (شامل Invoicing ، Marketing و …)
– بخش حسابداري (Accounting)
– بخش حسابداري و حمل‌ونقل (Shipping)

۹-۲-۲ خدمات پس از فروش (Costumer Service)
اين مرحله جزئي از چرخة توليد مي باشد كه دوفايده اساسي دارد، يكي اينكه باعث اطمينان از رضايتخبشي كار محصولات داده شده به مشتري مي گردد و دوم اينكه اين مرحله باعث ايجاد نوعي سيستم تغذيه به عقب اطلاعات (Feed back data) جهت عيب‌يابي محصولات و بهينه نمودن آنان مي گردد.
۱۰-۲-۲ دور ريختن و بازيابي (Recycling disposal)
يكي از راهها جهت بالا بردن راندمان اقتصادي چرخة توليد ، بازيابي مواد اوليه محصولات توليدي پس از پايان عمر مفيد آنها واستفاده از اين مواد در چرخة توليد مي باشد. توجه به اين نكته ضروري است كه در كليه مراحل بالا مي‌توان از قابليت‌هاي كامپيوتر استفاده نمود، لكن در مبحث فعلي عمدتاً به استفاده از كامپيوتر در مراحل طراحي و ساخت يك محصول پرداخته خواهد شد.
۱-۳-۲ نقش كامپيوتر در طراحي و توليد
جهت پي‌بردن به نقش كامپيوتر در مراحل مختلف طراحي و توليد كافي است به برخي از مهمترين قابليت‌هاي كامپيوتر اشاره نمود. (توجه شود كه اكثر اين قابليت‌ها عمدتاً به صورت فعل و انفعالي interactive)) نمود مي‌يابد كه خود يكي از مزاياي كامپيوتر مي باشد).
اين قابليت‌ها عبارتند از:
– انجام محاسبات رياضي حجيم ( شامل انواع محاسبات FEA در طراحي جامدات و CFD درطراحي سيالات و نهايتاً محاسبات بهينه سازي (Optimization)
– سرعت بالاي انجام محاسبات
– قدرت بالاي نگاره سازي وانيميشن (Animation)
– ظرفيت بالاي ذخيره‌سازي اطلاعات و سازماندهي اطلاعات و بازيابي مجدد آنها