ساخت به کمک رایانه (CAM) چیست؟

مقدمه

ساخت به کمک رایانه (CAM) نوعی روش تولید است که از نرم‌افزارهای کامپیوتری و ماشین‌آلات خودکار برای ایجاد محصولات با دقت و صحت بالا استفاده می‌کند. ماشین‌آلات و فناوری‌های نرم‌افزاری مدرن به ما امکان داده‌اند تا قطعات بهتری با کنترل بیشتر بر کل فرآیند تولید کنیم.

یک ابزار CAM از مدل محصولی که در نرم‌افزار CAD ایجاد شده استفاده می‌کند. ابزار CAM این مدل‌های کامپیوتری را به زبانی که ابزار ماشین‌کاری بتواند آن را بفهمد، تبدیل کرده و تولید را انجام می‌دهد.

CAM همچنین می‌تواند به تولیدکنندگان در برنامه‌ریزی، توسعه، مدیریت، ذخیره‌سازی و لجستیک محصولات کمک کند.

هدف اصلی CAM این است که یا سیستم‌های تولید جدیدی ایجاد کند یا سیستم‌های موجود را بهبود بخشد تا بهره‌وری را افزایش داده و اتلاف را کاهش دهد. این کار را با سرعت بخشیدن به فرآیند تولید و ابزارسازی و کاهش نیازهای انرژی انجام می‌دهد. نتایج نهایی دارای درجه بالایی از یکنواختی، کیفیت و دقت هستند.

فرآیندهای تولید خودکار شده توسط CAM

سیستم‌های CAM می‌توانند مجموعه‌ای از فرآیندها را کنترل کنند. این فرآیندها توسط ماشین‌های CNC (کنترل عددی رایانه‌ای) انجام می‌شوند. این ماشین‌ها از کدهای G و M نوشته شده پیروی می‌کنند تا یک قطعه کار را ماشین‌کاری کنند. CAM می‌تواند فرآیندهای زیر را خودکار کند.

فرزکاری

CAM می‌تواند فرزکاری قطعات را در کاربردهایی که نیاز به تولید کاهشی (Subtractive Manufacturing) دارند، خودکار کند. از طریق CAM، ماشین‌کاران می‌توانند با دقت مواد اضافی را از بلوک‌های قطعه کار حذف کنند.

تراشکاری

فرآیند تراشکاری مواد اضافی را با چرخاندن قطعه کار در مقابل ابزار ماشین‌کاری حذف می‌کند. ماشین‌های تراش CNC در ایجاد ترتیب مناسب فرآیندها برای تولید محصول نهایی بسیار کارآمد هستند.

این ماشین‌ها همچنین قادر به انجام فرآیندهای دیگری مانند قلاویزکاری، شیارزنی، پخ‌زنی، روبرداری و غیره هستند.

برش با آب، لیزر و پلاسما

CNC می‌تواند انواع مختلف ماشین‌های برش را خودکار کند تا قطعات را با دقت فوق‌العاده‌ای تراش دهد. همچنین می‌تواند در صورت نیاز قطعات را حکاکی کند. برش پلاسما برای مواد رسانا مانند فلزات مفید است.

ماشین‌های تخلیه الکتریکی

ماشین‌های تخلیه الکتریکی قطعات را با ایجاد جرقه الکتریکی در آن‌ها تولید می‌کنند. این جرقه‌ها به دمای بسیار بالایی می‌رسند و امکان برش هر نوع ماده‌ای را به‌راحتی فراهم می‌کنند. با استفاده از CAM می‌توانیم این جرقه‌ها را برای برش دقیق قطعه کار کنترل کنیم.

روترهای CNC

روترهای CNC از منطق کاری مشابه با ماشین‌های فرز استفاده می‌کنند و مواد اضافی را از قطعه کار حذف می‌کنند. این ماشین‌ها می‌توانند عملیات مختلفی در کار با چوب، کامپوزیت‌ها، فولاد، شیشه و پلاستیک را از طریق CNC انجام دهند.

چاپ سه‌بعدی

CAM می‌تواند فرآیندهای تولید افزودنی مانند چاپ سه‌بعدی را نیز به‌خوبی کنترل کند. در این فرآیند، CAM می‌تواند تقریباً هر شکلی را با لایه‌لایه گذاشتن مواد سازگار تا زمانی که شکل موردنظر آماده شود، تولید کند.

مزایا و معایب CAM

ورود CAM یک نقطه عطف در صنعت تولید بود. این فناوری به روش‌های مختلفی صنعت تولید را تغییر داد. CAM عصر اتوماسیون انعطاف‌پذیر را به‌جای سیستم‌های اتوماسیون ثابت سنتی معرفی کرد.

تغییرات در فرآیند تولید با CAM آسان‌تر و سریع‌تر انجام می‌شد. این سیستم چندین ویژگی دیگر داشت که ارزش زیادی به یک سیستم تولیدی اضافه کرد. بیایید به برخی از مزایایی که سیستم‌های CAM به تولیدکنندگان ارائه کردند، نگاهی بیندازیم.

مزایای ساخت به کمک رایانه

سرعت و دقت بالا

تولید به کمک رایانه می‌تواند فرآیند تولید را به‌طور قابل‌توجهی سرعت بخشد. این کار بدون به خطر انداختن دقت انجام می‌شود. این ویژگی باعث می‌شود که CAM بسیار پایدار و قابل‌اعتماد باشد. ماشین‌های CAM می‌توانند برنامه‌ریزی شوند تا یک محصول را بارها و بارها با دقتی بی‌نظیر تولید کنند. حتی تولید نمونه‌های اولیه نیز دقیق و سریع است.

کاهش اتلاف

استفاده از CAM میزان اتلافی که در ماشین‌کاری دستی معمولاً رخ می‌دهد را کاهش می‌دهد. ازآنجاکه احتمال خطا کمتر است، تعداد بیشتری از محصولات از همان مقدار مواد اولیه تولید می‌شوند. این افزایش بهره‌وری در طول زمان جمع می‌شود. تولیدکننده اکنون می‌تواند یا سود خود را افزایش دهد یا قیمت‌های رقابتی تعیین کند و یا حتی هر دو را انجام دهد.

کاهش هزینه‌های نیروی کار

CAM می‌تواند با خودکارسازی بیشتر فرآیند تولید، هزینه‌های نیروی کار را کاهش دهد. هنوز هم نیروی کار ماهری برای کارکرد، نگهداری و تعمیر ماشین‌های CAM لازم است، اما تعداد کارکنان بسیار کمتر از زمانی است که CAM وجود ندارد.یکی دیگر از دلایل کاهش هزینه‌های نیروی کار، قابلیت تطبیق‌پذیری ماشین‌های CAM است. این ماشین‌ها با بسیاری از فرآیندهای تولید مختلف سازگار هستند و نیاز به نیروی کار تخصصی برای تغییر فرآیندهای تولید را از بین می‌برند.

کنترل بیشتر بر تولید

ورود CAM به کارگاه ماشین‌کاری میزان کنترل تولیدکننده بر کل فرآیند را افزایش می‌دهد. از طریق ویژگی‌ای به نام “درخت CAM”، یک فرآیند تولید از ابتدا تا انتها قابل پیگیری است. این ویژگی به تولیدکننده کنترل بیشتری بر مواردی مانند موجودی، ابزارسازی، مواد، مختصات کار و پس‌پردازش می‌دهد.CAM همچنین می‌تواند قالب‌های ماشین‌کاری را برای استفاده‌های آینده ذخیره کند، ترتیب کارها را تغییر دهد و عملیات ماشین‌کاری را کپی و جای‌گذاری کند. هر گونه تغییر در قطعه را می‌توان به‌آسانی انجام داد بدون اینکه نیاز به برنامه‌ریزی مجدد ماشین‌آلات باشد. “وابستگی مسیر ابزار” تضمین می‌کند که وقتی چنین تغییراتی ایجاد می‌شود، مسیرهای ابزار به‌روز می‌شوند.

معایب ساخت به کمک رایانه درحالی‌که CAM مزایای زیادی دارد، بدون محدودیت نیست. این معایب شامل موارد زیر می‌شود:

هزینه

یکی از اصلی‌ترین موانع استفاده از سیستم‌های CAM هزینه بالای نصب و نگهداری است. سخت‌افزار گران است و نرم‌افزار نیز همین‌طور، که باعث می‌شود هزینه‌های اولیه بالا باشند.CAM از قطعات بسیار پیشرفته‌ای استفاده می‌کند که نسبت به معادل‌های دستی خود گران‌تر هستند. همچنین در مورد توان پردازش کامپیوتر، نگهداری پیشگیرانه و تعمیر خرابی ماشین‌های CAM نیز هزینه بیشتری دارند.چنین هزینه بالایی می‌تواند برای واحدهای کوچک مانع ایجاد کند. با این حال، بسیاری از نرم‌افزارهای CAM اکنون به‌جای خرید یک‌باره، مدل اشتراکی را اتخاذ کرده‌اند. این کار هزینه‌های اولیه را کاهش داده و در نتیجه ورود به این حوزه را آسان‌تر کرده است.

نیروی کار ماهر

ابزارهای CAM دامنه وسیعی دارند و یادگیری آن‌ها برای کاربران جدید دشوار است. راه‌اندازی‌های تولید به کمک رایانه نیاز به کارکنانی ماهر دارد که درک خوبی از سیستم‌های CAM موجود داشته باشند.

سیستم‌ها می‌توانند از شرکتی به شرکت دیگر متفاوت باشند و کارکنان باید نحوه استفاده و قابلیت‌های سیستم محلی را بیاموزند. همچنین ممکن است نیاز به آموزش در مورد نحوه رفع مشکلات در ماشین‌های CAM داشته باشند.

این آموزش ممکن است نیاز به به‌روزرسانی‌های مداوم داشته باشد زیرا سیستم‌ها دارای ویژگی‌ها و قابلیت‌های جدیدی می‌شوند. این نوع آموزش و تمرین هزینه‌بر است و ممکن است باری بر دوش واحد تولیدی باشد.

خرابی فناوری

اگرچه احتمال آن کم است، اما خطاهای کامپیوتری ممکن است رخ دهند. امکان دیگری نیز وجود دارد که ماشین‌های CAM دچار خرابی شوند. اگر ماشین‌ها خراب شوند، کار CAM می‌تواند به‌راحتی متوقف شود زیرا ممکن است هیچ جایگزینی برای شروع تولید دستی وجود نداشته باشد.

این مسئله به‌ویژه در تنظیمات خط مونتاژ مضر است، زیرا توقف کار CAM در یک ایستگاه می‌تواند باعث توقف در همه نقاط دیگر تا زمان رفع مشکل شود.

ضایعات

در حالی که استفاده بهینه از CAM می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی ضایعات را کاهش دهد، تضمینی برای به حداقل رساندن پسماندها وجود ندارد. بسیاری از این موضوع به طراحی محصول بستگی دارد. اگر مدل‌های محصول بهینه نباشند، ممکن است حتی باعث هدررفت منابع گران‌قیمت شود.

تا زمانی که این موضوع آشکار شود، ممکن است خیلی دیر شده باشد، به‌ویژه در مورد موادی که قابل بازیافت نیستند مانند یونولیت، سرامیک و برخی انواع پلاستیک‌ها.

دفع یا بازیافت محصولات زائد نیازمند زمان و منابع اضافی خواهد بود.

کاربردهای ساخت به کمک رایانه در صنایع

CAM در صنایع مختلفی استفاده می‌شود که احتمالاً نام بردن از صنایعی که از آن استفاده نمی‌کنند، آسان‌تر است. معرفی فناوری اطلاعات، الکترونیک و فرآیندهای اتوماسیون کامپیوتری آغازگر انقلاب صنعتی سوم بود. به دلیل مزایای فوق‌العاده آن، کنترل عددی به‌سرعت تولید را تحت تأثیر قرار داد.

بیایید نگاهی به برخی از صنایعی بیندازیم که CAM آن‌ها را به‌طور کامل متحول کرد.

صنعت هوافضا

این صنعت در طراحی، ساخت، آزمایش و نگهداری هواپیماهایی که ممکن است در داخل یا حتی خارج از جو زمین پرواز کنند، نقش دارد. در این صنعت خطرات بسیاری برای جان انسان و اموال وجود دارد و از این رو به‌شدت تنظیم شده است.

هواپیماها به قطعات دقیقی نیاز دارند که طبق طراحی عمل کنند. آن‌ها همچنین باید بسیاری از آزمایش‌ها را پشت سر بگذارند. این امر نیازمند یکنواختی و کیفیت در قطعات هواپیما است. در نتیجه، ماشین‌کاری دستی نتایج مطابق با استانداردها ارائه نمی‌دهد.

سطوح آزاد زیادی با هندسه‌های پیچیده به دلایل زیبایی‌شناختی و عملکردی مورد نیاز هستند. این قطعات اغلب از مواد نادری ساخته می‌شوند که خصوصیات بسیار متفاوتی با فلزات مهندسی روزمره دارند.

ساخت به کمک رایانه راه‌حلی کامل برای همه چالش‌های فوق ارائه می‌دهد. انعطاف‌پذیری، دقت و سرعت آن به ما کمک می‌کند تا این شاهکارها را در حالی که در بودجه می‌مانیم، خلق کنیم.

صنعت خودروسازی

صنعت خودروسازی امروز پیشرفته‌ترین و پرتقاضاترین صنعت پس از صنعت هوافضا است. قوانین سختگیرانه‌ای از ایمنی تا آلودگی بر صنعت خودروسازی نیز حاکم است. تولیدکنندگان به‌طور مداوم با مواد، طراحی‌ها و روش‌های جدید آزمایش می‌کنند تا بهترین ارزش را به ازای پول ارائه دهند.

تولید به کمک رایانه از مرحله ایده‌پردازی تا مرحله تولید برای تولیدکنندگان بسیار مفید بوده است. CAM می‌تواند محصولات نوآورانه‌ای را تولید کند که مجهز به ویژگی‌هایی مانند تعریف محور ابزار، سطح‌بندی و مش چندضلعی هستند.

نرم‌افزار CAM می‌تواند مجموعه‌ای از مسیرهای ابزار و گزینه‌های مدل‌سازی متمرکز را برای ایجاد اشکال پیچیده در مدت‌زمان کوتاه فراهم کند و در عین حال آن‌ها را به‌طور کامل با مفاهیمی مانند تولید ناب و تولید به‌موقع (Just-in-Time) یکپارچه کند.

تولید به کمک رایانه می‌تواند هزینه‌ها، ضایعات، زمان‌های تحویل و خطاها را به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهد. این فناوری دقت، کیفیت سطح، یکنواختی و سرعت تولید را بهبود می‌بخشد. این ویژگی‌ها CAM را به یک بخش ضروری از صنعت خودروسازی تبدیل کرده است.

سایر صنایع

علاوه بر مثال‌های فوق، CAM در صنایعی مانند تولید سخت‌افزارهای رایانه و گوشی‌های هوشمند، دستگاه‌های پزشکی، صنعت داروسازی و غیره کاربردهای بسیاری دارد.

به‌طور خلاصه، تقریباً همه سیستم‌های تولید انبوه مدرن از ساخت به کمک رایانه برای افزایش بهره‌وری استفاده می‌کنند. از آنجا که CAM تقریباً همه فرآیندهای اصلی را از پیش خودکار کرده است، احتمال کمی وجود دارد که بتوان بدون استفاده از فناوری تولید کامپیوتری، تولید انبوهی را انجام داد.

CAD در مقابل CAM

یک مرحله مهم که پیش از تولید به کمک رایانه قرار می‌گیرد، طراحی به کمک رایانه (CAD) است. با استفاده از CAD، طراحان می‌توانند طرح‌های محصول را ایجاد، اصلاح و تحلیل کنند. همچنین می‌تواند عملکرد و کاربرد این طرح‌ها را بررسی کند.

تفاوت بین CAD و CAM مشخص است، اما این موضوع می‌تواند برای بسیاری از افراد گیج‌کننده باشد. زیرا علاوه بر تفاوت‌ها، آن‌ها شباهت‌های زیادی دارند.

به‌طور ساده، CAD به بخش طراحی و پیش‌نویس یک محصول مربوط می‌شود، در حالی که CAM به جنبه تولید آن مربوط است. طراحی مهندسی ایجادشده در CAD به زبان ماشین (معمولاً کدهای G و M) ترجمه می‌شود و سپس به ماشین‌های مجهز به CNC تغذیه می‌شود. بر اساس این کد، ماشین ابزارهای ماشین‌کاری را هدایت می‌کند تا عملیات ماشین‌کاری موردنیاز را انجام دهند.

ابزارهای CAD/CAM از اجزای مختلفی تشکیل شده‌اند. ابزارهای CAD شامل کامپیوتر و نرم‌افزار CAD هستند. با این دو، یک هنرمند/تکنسین/طراح گرافیک می‌تواند به‌طور مؤثری یک نقشه ایجاد کند. این نقشه سپس می‌تواند به‌عنوان یک نمای ارتوگرافیک یا ایزومتریک مشاهده شود. عملیات مختلفی را می‌توان برای بهبود خوانایی نقشه انجام داد.

ابزارهای CAM شامل یک کامپیوتر، یک بسته نرم‌افزار CAM و یک ماشین CAM برای فرآیند ماشین‌کاری هستند. یک ماشین CAM ممکن است، به‌عنوان مثال، یک مرکز ماشین‌کاری با کنترل سه یا پنج محوره باشد.

فرآیند CAD به CAM

واضح است که فرآیند با CAD آغاز می‌شود و سپس به مرحله تولید به کمک رایانه (CAM) می‌رسد. اما بیشتر از این هم هست. محدودیت‌های ماشین‌های CAM عوامل مهمی هستند که طراحان باید در مرحله طراحی به آن‌ها توجه کنند.

بیایید ببینیم دنباله‌ای از رویدادهایی که در طراحی و ساخت قطعات از طریق طراحی و تولید به کمک رایانه رخ می‌دهد چگونه است.

فرآیند طراحی

این اولین مرحله است که به‌عنوان فرآیند طراحی شناخته می‌شود. در این فرآیند، طراح مدل‌ها را در نرم‌افزار CAD ایجاد می‌کند. تمرکز بر روی عملکرد، قابلیت ساخت و زیبایی قطعه است. CAD می‌تواند طرح‌های بسیار پیچیده‌ای ایجاد کند، اما اگر نتواند توسط سیستم‌های CAM موجود ساخته شود، بی‌فایده است.

طراح یک طراحی دوبعدی یا سه‌بعدی را در نرم‌افزار CAD ایجاد می‌کند. این طرح‌ها به‌عنوان مدل‌های CAD شناخته می‌شوند. خصوصیات ماده محصول میزان پیچیدگی طراحی را تعیین می‌کند.

ایجاد مختصات

در این مرحله، طراح مدل را به مختصات تبدیل می‌کند. اختصاص مختصات به مدل‌های منبع به ما امکان می‌دهد از ویژگی‌های تبدیل مختصات نرم‌افزار استفاده کنیم.

شبیه‌سازی تولید

در این مرحله، طراح یک شبیه‌سازی تولید انجام می‌دهد تا قابلیت اجرایی مدل را با توجه به توانایی‌های تولیدی محیط بررسی کند. یکپارچگی ساختار و گرافیک مدل با فایل‌های تولید، هرگونه خطای پنهان در مدل را آشکار می‌سازد و به ما اجازه می‌دهد تا آن‌ها را اصلاح کنیم.

این به این معناست که هرگونه ناسازگاری مدل در مرحله توسعه برطرف می‌شود قبل از اینکه تولید آغاز شود.

ما چرخه تولید را به دقیق‌ترین شکل ممکن شبیه‌سازی می‌کنیم تا تصویری روشن از تنظیمات تولید نهایی به دست آوریم. این کار همچنین نقشه راهی برای متخصصان در تمامی مراحل تولید فراهم می‌کند.

ایجاد کد

وقتی مرحله مدل‌سازی به پایان می‌رسد، به مرحله تولید به کمک رایانه (CAM) می‌رویم. مدل نهایی همراه با داده‌های طراحی از نرم‌افزار CAD به نرم‌افزار CAM صادر می‌شود. نرم‌افزارهایی که هر دو قابلیت CAD و CAM را دارند، نیازی به صادرات و واردات نقشه‌ها ندارند.

پس از تکمیل واردات، نرم‌افزار شروع به ایجاد کد برای ماشین‌کاری CNC می‌کند. ماشین‌کاری CNC به وظیفه ماشین‌کاری کنترل‌شده توسط کامپیوتر اشاره دارد که شامل برش، چرخش، سوراخ‌کاری، مته‌کاری و فرزکاری قطعه خام به یک قطعه نهایی است.

کد ماشین‌کاری پس از بررسی چندین عامل از جمله موارد زیر ایجاد می‌شود:

• سازگاری هندسی

• ایجاد مسیرهای ابزار

• انتخاب پارامترهای مناسب

• چیدمان (Nesting)

سازگاری هندسی

نرم‌افزار مدل کامپیوتری را برای هرگونه خطای هندسی که به‌ویژه می‌تواند بر فرآیند تولید تأثیر بگذارد، بررسی می‌کند.

ایجاد مسیرهای ابزار

نرم‌افزار تولید مسیرهای ابزار بهینه را طراحی می‌کند. طراحی مسیر ابزار به مسیرهایی اشاره دارد که ابزار ماشین در طول فرآیند تولید دنبال خواهد کرد.

انتخاب پارامترهای مناسب

نرم‌افزار ماشین‌کاری سپس پارامترهای مناسب برای فرآیند تولید را با توجه به نیازهای ماشین‌کاری انتخاب می‌کند. پارامترهایی مانند سرعت برش، عمق برش، خوراک، ولتاژ، جریان خنک‌کننده به‌گونه‌ای انتخاب می‌شوند که تعادل مناسبی بین سرعت ماشین‌کاری و کیفیت سطح به دست آید.

چیدمان (Nesting)

نرم‌افزار تولید به کمک رایانه سپس بهترین چیدمان برای قطعه کار را پیدا می‌کند تا ماشین‌کاری را در کمترین زمان ممکن انجام دهد و در عین حال کارایی تنظیمات را برای استفاده از مواد حفظ کند.

راه‌اندازی و تولید

این مرحله بر راه‌اندازی دستگاه CNC تمرکز دارد. راه‌اندازی و عملکرد یک دستگاه CNC شامل اقدامات زیادی است که باید به ترتیب خاصی انجام شوند. ماشین‌کاران باید وظایفی مانند پیش‌راه‌اندازی، بارگذاری ابزار، بارگذاری برنامه CNC، اجرای خشک و اجرای برنامه را انجام دهند.

پس از اتمام این مرحله، محصول نهایی آماده برای بازرسی در دسترس است.

کنترل کیفیت

مرحله بعدی کنترل کیفیت است. محصول نهایی باید از آزمون‌های کیفی عبور کند قبل از اینکه به ایستگاه بعدی در خط مونتاژ برسد. مراحل بعد از کنترل کیفیت شامل مونتاژ قطعات و اعمال روکش‌ها قبل از ارسال به مشتری یا مصرف‌کننده است.

ابزارهای محبوب CAD/CAM

تعداد زیادی ابزار برای طراحی و تولید در بازار موجود است. برخی از آن‌ها فقط CAD ارائه می‌دهند، برخی فقط CAM، در حالی که برخی از نرم‌افزارها هر دو را ترکیب می‌کنند. فهرستی از ابزارهای محبوب تولید به کمک رایانه به شرح زیر است:

• Fusion 360

• Solidworks CAM

• Solid Edge CAM Pro

• CATIA