GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CAD/CAM/CAE

Các ngành sản xuất ngày nay không thể tồn tại trong một cuộc canh tranh trên toàn thế giới trừ khi họ giới thiệu các sản phẩm mới với chất lượng tốt hơn, với chi phí thấp hơn, và với thời gian ngắn hơn. Họ đã cố gắng sử dụng dung lượng bộ nhớ lớn của máy tính, tốc độ xử lý nhanh và khả năng tương tác đồ họa thân thiện với người dùng để tự động hóa và kết hợp với nhau theo các nhiệm vụ kỹ thuật hoặc sản xuất khác nhau, qua đó làm giảm thời gian và chi phí phát triển và sản xuất sản phẩm. Thiết kế với sự hỗ trợ của máy tính (CAD), sản xuất với sự hỗ trợ của máy tính (CAM), và kỹ thuật với sự hỗ trợ của máy tính (CAE) là các công nghệ được sử dụng trong chu kỳ sản phẩm.

Để hiểu vai trò của CAD, CAM, CAE chúng ta cần kiểm tra các hoạt động và chức năng khác nhau phải được thực hiện trong thiết kế và sản xuất một sản phẩm. Các hoạt động này gọi là chu kỳ trình của sản phẩm được mô tả bởi Zeid (1991).

  Các hoạt động liên quan đến quá trình thiết kế có thể được phân loại chủ yếu thành hai loại: Tổng hợp (Synthesis) và phân tích (Analysis)

• Tổng hợp: Chẳng hạn như xác định nhu cầu thiết kế, xây dựng các thông số kỹ thuật thiết kế, nghiên cứu khả thi với thu thập thông tin thiết kế có liên quan, và thiết kế concept) là một phần của quá trình tổng hợp. Thiết kế concept các sản phẩm tiềm năng trong một bản phác thảo hoặc bản vẽ bố cục thể hiện mối quan hệ giữa các thành phần sản phẩm khác nhau. Các cam kết tài chính chính cần thiết để nhận ra ý tưởng sản phẩm được tạo ra và chức năng của sản phẩm được xác định trong giai đoạn này của chu kỳ. Hầu hết thông tin được tạo và được xử lý trong quá trình tổng hợp là chất lượng và do đó khó để nắm bắt trong một hệ thống máy tính.
• Phân tích: Khi thiết kê concpet đã được phát triển, quy trình phân tích phụ bắt đầu với phân tích và tối ưu hóa thiết kế. Mô hình phân tích có nguồn gốc đầu tiên vì quy trình phân tích được áp dụng cho mô hình thay vì tự thiết kế.

Mặc dù sự tăng trưởng nhanh về sức mạnh và tính khả dụng của máy tính trong kỹ thuật, sự trừu tượng của các mô hình phân tích sẽ vẫn còn với chúng ta trong tương lai gần. Mô hình phân tích thu được bằng cách loại bỏ các thiết kế chi tiết không cần thiết, giẩm kích thước, và nhận biết sử dụng sự đối xứng. Ví dụ giảm kích thước như một tấm vật liệu mỏng được thể hiện bằng một bề mặt tương đương với một thuộc tính độ dày hoặc hoặc một vùng mảnh dài được biểu thị bằng một đường có các thuộc tính mặt cắt.

Các đối tượng có đối xứng hình học và tải của chúng thường được phân tích bằng cách xét một phần của mô hình. Trong thực tế, bạn đã thực hành quá trình trừu tượng này một cách tự nhiên khi bạn phân tích một cấu trúc trong một lớp cơ học cơ bản.

Bạn luôn bắt đầu với việc phác họa cấu trúc theo một hình dạng đơn giản trước khi thực hiện phân tích thực tế, như phân tích ứng suất để kiểm tra độ bền của thiết kế, kiểm tra nhiễu để phát hiện xung đột giữa các thành phần trong khi chúng đang di chuyển trong Assembly và phân tích động học để kiểm tra xem máy có được sử dụng hay không. Chất lượng của các kết quả thu được từ các hoạt động này liên quan trực tiếp đến và bị giới hạn bởi chất lượng của mô hình phân tích được chọn.

Sau khi thiết kế đã được hoàn thành, sau khi tối ưu hóa hoặc một số quyết định cân bằng, giai đoạn đánh giá thiết kế bắt đầu. Prototypes có thể được xây dựng cho mục đích này. Công nghệ mới được gọi là tạo mẫu nhanh đang trở nên phổ biến cho việc xây dựng các nguyên mẫu.Công nghệ này cho phép xây dựng một nguyên mẫu bằng cách gửi các layer từ đáy lên đỉnh. Vì vậy nó cho phép xây dựng các mẫu thử nghiệm trực tiếp từ thiết kế của nó bởi vì nó đòi hỏi về về cơ bản dữ liệu mặt cắt ngang của sản phẩm. Nếu việc đánh giá thiết kế trên nguyên mẫu chỉ ra rằng thiết kế không đạt yêu cầu, quy trình mô tả được lặp lại với thiết kế mới.

Khi kết quả đánh giá thiết kế được chuẩn bị. Điều này bao gồm việc chuẩn bị các bản vẽ, báo cáo, và hóa đơn nguyên vật liệu. Thông thường, các bản thiết kế được làm từ các bản vẽ và chuyển sang sản xuất.

Quá trình sản xuất bắt đầu với quy trình lập kế hoạch, sử dụng các bản vẽ từ quá trình thiết kế và kết thúc bằng các sản phẩm thực tế. Lập kế hoạch quy trình là một hàm thiết lập các quy trình nào – và các tham số thích hợp cho các quy trình – sẽ được sử dụng. Nó cũng chọn các máy sẽ thực hiện các quy trình, chẳng hạn như một quá trình chuyển đổi part từ một phôi thô thành dạng cuối cùng được chỉ định trong bản vẽ. Kết quả của quá trình lên kế hoạch là một kế hoạch sản xuất, một thứ tự vật liệu và lập trình máy. Các yêu cấu đặc biệt khác chằng hạn như thiết kế đồ gá lắp ghép, cũng được xử lý ở giai đoạn này.

Mối quan hệ của quá trình lập kế hoạch cho quá trình sản xuất tương tự như quy trình tổng hợp cho quá trình thiết kế: Nó liên quan đến kinh nghiệm và quyết định chất lượng đáng kể của con người. Mô tả này ngụ ý rằng sẽ khó để tin học hóa quy hoạch quy trình. Khi quy trình xử lý đã hoàn thành, sản phẩm thực tế được sản xuất và kiểm tra theo yêu cầu chất lượng. Các bộ phận vượt qua kiểm soát chất lượng được lắp ráp, kiểm tra chức năng, đóng gói, dán nhãn và vận chuyển đến khách hàng. 

Không dễ tưởng tượng làm thế nào một máy tính có thể đucợ sử dụng trong giai đoạn thiết kế khái niệm vì máy tính chưa phải là một công cụ mạnh mẽ cho quá trình sáng tạo trí tuệ. Máy tính có thể đóng góp trong giai đoạn này bằng cách tạo ra các thiết kế concept khác nhau một cách hiệu quả. Mô hình tham số hoặc khả năng lập trình macro của việc soạn thảo bằng máy tính hoặc mô hình hình học có thể hữu ích cho nhiệm vụ này. Đây là điển hình của một phần mềm CAD. Bạn có thể tưởng tượng một hệ thống mô hình hình học trong không gian 3D.

Phân tích phụ của quá trình thiết kế là khu vực mà máy tính tiết lộ giá trị của nó, trên thực tế, có rất nhiều gói phần mềm có sẵn để phân tích ứng suất, kiểm tra nhiễu và phân tích động học…Các gói phần mềm này được phân loại là CAE.

Một vấn đề khi sử dụng chúng là việc cung cấp mô hình phân tích. Sẽ không có vấn đề gì nếu mô hình phân tích được bắt nguồn tự động từ thiết kế khái niệm. Tuy nhiên mô hình phân tích không giống thiết kế khái niệm, nhưng có nguồn gốc bằng cách loại bỏ các chi tiết không cần thiết khỏi thiết kế hoặc bằng cách giảm kích thước của nó. Mức độ trừu tượng thích hợp khác nhau, tùy thuộc vào loại phân tích và độ chính xác mong muốn của giải pháp. Do đó rất khó để tự động hóa quá trình trừu tượng này, theo đó mô hình phân tích thường được tạo riêng. Đó là một thực tế phổ biến để tạo ra hình dạng trừu tượng của thiết kế dư thừa bằng cách sử dụng hệ thống soạn thảo được hỗ trợ của máy tính hoặc hệ thống mô hình hình học hoặc đôi khi bằng cách sử dụng khả năng tích hợp của các gói phân tích. Nếu gói phân tích đang được sử dụng có khả năng tự động tạo các mắt lưới này, chỉ cần tạo hình dạng đường viền trừu tượng. Nếu không, các mắt lưới cũng phải được tạo ra bởi người dùng hoặc tự động bằng phần mềm tích hợp. Hoạt động tạo lưới này được gọi là mô hình phần tử hữu hạn. Mô hình phần tử hữu hạn cũng bao gồm các hoạt động xác định các điều kiện biên và tải trọng bên ngoài.

Một vấn đề khi sử dụng chúng là cung cấp mô hình phân tích. Sẽ không có vấn đề gì nếu phân tích mô hình bắt nguồn từ thiết kế concept. Tuy nhiên, như đã giải thích trước đây, mô hình phân tích không giống như thiết kế concept nhưng có nguồn gốc bằng cách loại bỏ đi các chi tiết không cần thiết khỏi thiết kế hoặc bởi giảm kích thước của nó. Mức độ trừu tượng thích hợp khác nhau tùy thuộc vào loại phân tích và độ chính xác mong muốn của giải pháp.

Do đó rất khó để tự động hóa quá trình trừu tượng này, nên mô hình phân tích được tạo riêng. Đó là một thực tế phổ biến để tạo ra hình dạng trừu tượng của thiết kế dư thừa bằng cách sử dụng hệ thống soạn thảo được hỗ trợ bởi máy tính hoặc hệ thống mô hình hình học hoặc đôi khi bằng cách sử dụng khả năng tích hợp của gói phân tích.

Phân tích phụ có thể được nhúng váo trong quá trình tối ưu hóa để mang lại thiết kế tối ưu. Các thuật toán khác nhau để tìm ra giải pháp tối ưu đã được phát triển và nhiều quy trình tối ưu hóa có sẵn trên thị trường. Các thủ tục tối ưu hóa có thể được coi là một thành phần của phần mềm CAD, nhưng nó tự nhiên hơn để xử lý riêng các quy trình tối ưu hóa.

Giai đoạn đánh giá thiết kế cũng có thể được tạo điều kiện bằng cách sử dụng máy tính. Nếu chúng ta cần một nguyên mẫu thiết kế cho việc đánh giá thiết kế. Chúng ta có thể xây dựng một mẫu thử nghiệm của thiết kế đã cho bằng cách sử dụng các gói phần mềm tự động tạo chương trình điều khiển máy tạo mẫu nhanh. Các gói này được phân loại là phần mền CAM mà chúng tôi xác định sau đây. Hình dạng nguyên mẫu được tồn tại trước trong một loại dữ liệu.