تصنيع بمساعدة الحاسوب

CAD model and CNC machined part

Chrome-cobalt disc with crowns for dental implants, manufactured using WorkNC CAM

التصنيع بمساعدة الحاسوب (CAM) Computer-aided manufacturing هو استخدام برامج الحاسوب للتحكم في الماكينات والآلات ذات الصلة في مجال تصنيع قطع التشغيل ، وفي جميع عمليات التصنيع ، وعمليات الإنتاج ، والإدارة والتخزين . للهدف من سرعة الإنتاج.

شهدت العقود الأخيرة من القرن العشرين تطوراً هائلاً في مجالات تقانات المعلومات، وقد أفادت مختلف العلوم التقليدية كالميكانيك والإلكترونيات والاتصالات والأتمتة والتحكم من هذا التقدّم، وواكبت هذا التطور لتحقق قفزات نوعية على مختلف الأصعدة والمراحل بدءاً بالتصميم ومروراً بالحساب الدقيق لمكونات المنتج وبالمحاكاة وانتهاءً بالإنتاج والتصنيع. ولم تعد مجالات الهندسة التقليدية كالميكانيك والإلكترونيات والأتمتة تفي متفرقة بغرض تصميم وتنفيذ منتج متكامل، فبات التكامل بين هذه الاختصاصات مجتمعة مفتاح النجاح لإيجاد منتجات اقتصادية ذات جودة ووثوقية عالية تؤمن احتياجات المستثمر.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 التاريخ

ابتكر في الولايات المتحدة الأمريكية مع بدايات القرن العشرين وتحديداً في عام 1909 أول خط إنتاج مؤتمت في مجال صناعة السيارات، وذلك بتقسيم الأعمال التصنيعية إلى مهام صغيرة يمكن أتمتتها بسهولة. وفي عام 1923 صممت في إنكلترا أجهزة نقل المنتجات مما سمح بمكننة خطوط الإنتاج كلياً. وفي أواخر عام 1940 استنبطت في الولايات المتحدة الأمريكية طريقة لتصنيع الأشكال المنحنية المعقّدة كمقطع جناح طائرة عن طريق قيادة آلة التشغيل عبر بطاقة مثقّبة يسجّل عليها مراكز أعداد كبيرة من الثقوب تمثّل الشكل المنحني، وكانت هذه فاتحة التصنيع بمساعدة الحاسوب computer aided manufacturing.

ظهر مع قدوم عام 1960 أول إنسان آلي (روبوتrobot) يعتمد على مبادئ التحكم الرقمي مما مهّد لاستخدام الروبوت فيما بعد في كل العمليات الإنتاجية والتصنيعية.

نُفّذ في عام 1965 تشغيل أول خط إنتاج يتم التحكم به عن طريق الحاسوب أوكلت إليه مهمّة تصنيع بطاقات إلكترونية. طوِّرت بعد ذلك آلات التشغيل الرقمي لتحوي على ذاكرة قادرة على حفظ معطيات الآلة وأدوات القَطْع الخاصّة بها، وتمكنت شركة الخطوط الحديدية اليابانية في عام 1970 من وصل سبع فارزات تحت السيطرة الآنية لحاسوب واحد مما مهد لظهور شبكات قادرة على التحكم بعدد كبير من الآلات المبرمجة المختلفة والقادرة على توزيع المهمات تبعاً لطبيعة الأعمال ولانشغالية هذه الآلات. كما مهّدت هذه الشبكات خلال الثمانينات من القرن العشرين لتطوير مفهومات خلايا التصنيع المرنة flexible manufacturing cells القادرة بمساعدة الحاسوب على إدارة تصنيع عدد محدود من المنتجات، وذلك عن طريق شحن برامج التحكم والتشغيل وإدارة عملية تداول ونقل المواد بمساعدة الروبوت. ثم طُوِّرت أنظمة التصنيع المرنة التي تضمّ مجموعة آلات قادرة على إنجاز تشكيلة واسعة من المنتجات المختلفة مع ما يتطلبه ذلك من عمليات تصنيع ومراقبة وتحريك آلي للمشغولات بين الآلات.

إن الرغبة بدعم التعاون بين سائر الجهات الهندسية المعنية بعملية الإنتاج في المؤسسة الصناعية تقضي بالتطلّع لطرق التشارك في الدخـول إلى المعطـيات الخـاصّة بالمنتج. فعملــية التصمــيم بمســاعدة الحاســوب computer aided design تستخدم المعلومات الناتجة لتصنيع الأجزاء المختلفة بمسـاعدة الحاسـوب والتوليد الآلي لبرامج قيــادة الآلات المبرمــجة وتخطــيط العملــيات الإنتاجيــة بمسـاعدة الحاسوب computer aided process planning. كل هذه العمليات يمكن أن تتكامل لتصب في نظام إدارة العمليات الإنتاجية بمسـاعدة الحاسوب computer aided manufacturing process.

 التصنيع المبرمج بمساعدة الحاسوب

الشكل (1) البنية العامة لآلات التشغيل المبرمج.

يمكن تعريف آلات التشغيل المبرمجة على أنها آلات مؤتمتة جزئياً أوكلياً تُزَوَّد بالأوامر المتعلقة بتشغيل القطع على شكل رقمي من خلال برنامج متضمّن لهذه الأوامر وتتنوّع هذه الآلات بين مخارط مبرمجة وفارزات مبرمجة ومراكز تشغيل (فارزات مبرمجة مزوّدة بمخزن لأدوات القطع). وتتكونّ البنية عامة للآلات المبرمجة من جسم الآلة والمحركات وآليات نقل الحركة والحساسات ووحدة التحكم بالآلة (الحاسوب)، كما هو موضّح في الشكل 1.

بعد تصميم القطعة ودراسة أبعادها الوظيفية والهندسية، يقوم مهندس الإنتاج بدراسة خطة تصنيعها واختيار الآلة المبرمجة اللازمة لتنفيذها، كما يقوم باختيار تسلسل عمليات التصنيع ومراحل التشغيل وكيفية تثبيت القطعة على الآلة المبرمجة للحصول بدقة على الأبعاد والتسامحات الوظيفية، تقود هذه الدراسة فيما بعد لمحاكاة وتمثيل عملية التشغيل على الحاسوب الذي يقوم بتوليد البرنامج العددي للتشغيل بما يتوافق والآلة المعنية، والبرنامج هو عبارة عن تسلسل أوامر تكتب بلغة برمجية خاصة بالآلات المبرمجة. تنقسم هذه الأوامر حسب طبيعتها إلى مجموعات عدّة أهمها الأوامر التحضيرية وأوامر تحديد إحداثيات الانتقال من موقع إلى موقع آخر واختيار عدة التشغيل ومعاملات التشغيل وسرعة الانتقال والدوران والتبريد والتشحيم بالإضافة إلى أمور تقنية أخرى.

قبيل الانتقال إلى آلات التشغيل وتنفيذ القطعة يقوم الفنّي بتنفيذ البرنامج على حاسوب آلة التشغيل للتأكد من صحة ودقّة الأوامر المرسلة، حيث يظهر الحاسوب انطلاقاً من القطعة الخام خطوات التشغيل بشكل متتابع كما يظهر شكل القطعة الناتج مما يسمح بكشف أي عيوب أو أخطاء في برنامج التشغيل وتلافيه قبل الشروع بالتنفيذ. يبين الشكل 2 محاكاة عملية تفريز قطعة دورانية على الحاسوب.

الشكل(2) محاكاة عمليةالتفريز المبرمجة على الحاسوب.

تبدأ عملية التشغيل بتعرّف حاسوب آلة التشغيل على الأمر المرسل وترجمته إلى حركة موافقة فمثلاً لاختيار عدة قَطع معينة يترجم الأمر بتحريك حامل أداة القطع إلى موقع مخزن عدة القطع على الآلة وبالتحديد إلى الموقع المخصص لأداة القطع المختارة لتقوم من ثمّ الآلية المخصصة لتثبيت أداة القطع بتناول الأداة وتثبيتها والعودة إلى الموقع السابق للأمر وإعطاء إشارة إلى حاسوب الآلة بإتمام تنفيذ الأمر؛ ولخراطة ثخانة معينة من قطعة معدنية بشكل مستقيم تعطى عدّة أوامر تبدأ باختيار قلم الخراطة المناسب، ومن ثمّ توضع آلة القطع عند بداية مسار القطع واختيار سرعة القطع اللازمة وآلية التزييت أو التبريد والسرعة الانسحابية للقطع ثمّ تنفيذ الحركة.

تتم ترجمة هذه الأوامر على مستوى الآلة بقيادة المحركات التي تؤمّن الحركات الدورانية أوالانسحابية، وتتم مراقبة تنفيذ أوامر بدء الحركة وتوقفها اعتماداً على حساسات (مرمّزات وضع تقوم بترجمة الحركة الميكانيكية إلى إشارات كهربائية)، تقوم هذه الحساسات بتقديم معلومات كافية لقياس الانتقالات الزاوية والانسحابية كما تمكّن الحاسوب الآلة المبرمجة من حساب السرعات والتسارعات الموافقة والتحكم بها وبدقّتها وتصحيحها عند اللزوم.

يبين الشكل 3 مثالاً مبسطاً لعملية تشغيل (تفريز) قطعة دورانية، حيث تبدو القطعة الخام والمادة الواجب إزالتها بالتفريز والبرنامج الخاص بالتشغيل ومحاكاة التشغيل .

الشكل (3)البرنامج العددي الخاص بتفريز قطعة دورانية.

إن تطبيقات التصنيع بمساعدة الحاسوب تتنوع لتشمل كل المجالات الصناعية، فمن معدّات حفر المناجم وتصنيع الآليات والقص بالبلازما والقص بالليزر وتصنيع قطع السفن والطائرات إلى تركيب العناصر في البطاقات الإلكترونية. وعموماً يتعدى مفهوم التصنيع بمساعدة الحاسوب هذه التطبيقات ليشمل كل عمليات التصنيع بمساعدة آلات ذكية مؤتمتة يتأتى ذكاؤها من إمكانية برمجتها لتنفيذ مهمّة معينة، وتندرج تحت هذا التصنيف الروبوتات التي تقوم بأعمال مختلفة تتوسّع لتشمل تحريك ومناولة القطع بين الآلات، واللحام والدهان وتنفيذ البطاقات الإلكترونية وتجميع قطع الآلات.

تتدرج الآلات المبرمجة في درجة ذكائها وتعقيدها تبعاً للمهمة التي نُفِّذت من أجلها ومستوى الذكاء البرمجي فيها، فهي إن كانت غاية في الدقة فيما يخص مراكز التشغيل الميكانيكي العددي وروبوتات تنفيذ الدارات الإلكترونية، فإنها يمكن أن تؤدي مهمات أقل تعقيداً ودقّة كما هي الحال بالنسبة لروبوتات المناولة واللحام والدهان.

 تخطيط العمليات الإنتاجية بمساعدة الحاسوب

يمر تحقيق النجاح في عالم اليوم بالنسبة لأي مؤسسة صناعية بعمل جميع أنشطة وفعاليات هذه المؤسسة بانسجام تام، وذلك بترجمة خطط الإدارة الاستراتيجية إلى خطط تصنيعية لإنتاج القطع في الأوقات المناسبة بأقل تكلفة ممكنة وأعلى جودة. وتشتمل هذه الخطط التصنيعية على تسلسل العمليات الإنتاجية والجدولة الزمنية لهذه العمليات وتخطيط الموارد والمخزونات.

يعرّف تخطيط العمليات الإنتاجية بأنّه وضع مجموعة الإجراءات التي تترجم التوصيف التصميمي للأجزاء الهندسية والمنتجات المجمّعة إلى تعليمات تفصيلية لعملية الإنتاج. ويعدّ تخطيط الإنتاج حلقة الوصل بين نشاطات التصميم الهندسي وعمليات التصنيع والتجميع. عندما تتم هذه العملية يدوياً أي من الأفراد فإن نتيجتها ستعتمد على الإمكانات الفردية لمطوّر الخطة وطبيعة الخبرة التي يتمتّع بها ، بل حتى على مزاجه. في حين تقدّم برمجيات وأنظمة تخطيط العمليات الإنتاجية بمساعدة الحاسوب مزايا عديدة على صعيد تخفيض زمن تطوير الخطة الإنتاجية بالإضافة إلى مقدرتها على توليد خطط منتظمة ومتّسقة وعقلانية أقرب إلى المثالية. وتتزايد الحاجة لتخطيط أمثلي مع سـعي الشـركات الكبرى إلى اعتماد سـياسـة «just in time» أي «في الوقت المحدد» التي تهدف إلى توفير حاجات المستهلك في الوقت المحدد دون اللجوء إلى تخزين المواد الأولية أو النصف مصنّعة أو المنتج المنتهي، وذلك لما في عملية التخزين من كلفة إضافية تحد من قدرة المنتج على المنافسة. وتستلزم سياسة عدم التخزين إلى تخطيط دقيق لمختلف العمليات الخاصة بالإنتاج والتصنيع من حيث توفير المواد الأولية والقطع المصنّعة التي تعتمد على مصنّعين خارجيين ومن حيث تسلسل عمليات التصنيع والتجميع للمنتج.

 محاكاة عمليات التصنيع والإنتاج بمساعدة الحاسوب

للحاسوب أثر فعال في عمر المنتج الهندسي وخاصة في مرحلة تصميم هذا المنتج وتصنيعه. تبدأ عملية تطوير منتج معين باستخدام الحاسوب بإيجاد نماذج متعددة تحقق الشروط الوظيفية للمنتج مما يسمح بدراسته من خلال المحاكاة والتحليل لأدائه قبل تنفيذه فعلياً؛ من هذه النماذج تتم الدراسات التصميمية والتعديلية التي تحدد المنتج النهائي وتسمح بتخطيط عمليات التصنيع والإنتاج.

تسهم هندسة البرمجيات بتهيئة البرامج الخاصة بالتصنيع بمساعدة الحاسوب التي لها أثر فعّال في نقل المعطيات من برنامج التصميم إلى آلة التشغيل، فهي توفر ربطاً سريعاً بين برمجيات التصميم وآلات ورشة الإنتاج.

كما تقوم هذه البرمجيات بعمليات مراقبة أدوات القطع وتآكلها وتشوّهها وتصحيح توضّعها تبعاً لذلك، وضمن المجال نفسه تقوم أيضاً بمراقبة جودة القطع المشغّلة وتقرير صلاحيتها أو استبعادها. وتتكفل برمجيات التصنيع بمساعدة الحاسوب بتهيئة الشروط المحيطية الملائمة لعملية التشغيل كالتبريد مثلاً. إضافة إلى ذلك يمكن لهذه البرمجيات التعامل مع خط إنتاجي يضم مجموعة كبيرة من الآلات بتنظيم تبادل أدوات القَطْع المختلفة ومناولة المشغولات فيما بينها ومراقبة العملية الإنتاجية.

تتمتع برمجيات التصنيع بمساعدة الحاسوب مقارنة مع الطرق التقليدية بميزات عدة، منها اختصار زمن تنفيذ القطع على آلات التشغيل وزمن تصحيح الأخطاء وإجراء التعديلات، ومنها الدقّة وتلافي الأخطاء سواءً على مستوى تبادل المعلومات أم على مستوى تآكل أدوات القطع، ومنها الحد من الهدر وتأمين مرونة في الاتصال بين المصمّم والمصنّع.

على صعيد تخطيط الإنتاج يتم عادةً التعامل مع كمّ هائل من المعلومات المتعلقة بجرد المستودعات وقائمة المواد الخاصّة بكل منتج وطلبات الإنتاج والشراء وأزمنة الإنتاج، وتعدّ الدقة في هذه المعلومات القاعدة الأساسية للتخطيط السليم، وللحواسيب أثر بارز في هذا المجال، وذلك عن طريق تحديد شبه آني لموجودات المستودعات والاحتياجات، إضافة إلى تسلسل عمليات التصنيع والمواد والأزمنة اللازمة لتنفيذ أي منتج وتهيئة تقارير دورية تبين نسبة تحقيق الخطط الموضوعة وانشغالية الورش الإنتاجية ونقاط الإعاقة المسؤولة عن التأخير.

إن عملية تصميم الورش هي عملية متغيّرة باستمرار، فكل عملية إنتاجية جديدة تتطلب إعادة تصميم مجموعة من المتغيّرات المهمة المتعلقة بتسلسل عمليات الإنتاج وخطط التشغيل وبرمجة الروبوت والآلات المبرمجة المستخدمة، بل إعادة تنظيم ورشة التصنيع وتغيير مواقع الآلات المختلفة. وهنا تبرز أهمية البرمجيات المتخصصة بنمذجة خلايا وأنظمة التصنيع ومحاكاتها، وذلك لوضع أفضل التصورات وسبر الاحتمالات الممكنة بتحليل الوضعيات المختلفة قبل اتخاذ القرارات على أرض الورشة.

للحواسيب والبرامج المتخصصة في مجال التصنيع والإنتاج أثر مهم في تنظيم عمليات التصميم والإنتاج المعقدة وتنسيقها، إضافة إلى تمكين مختلف فرق العمل التصميمي والتنفيذي والتنسيقي من الاتصال وتبادل المعلومات مما يزيد في فاعلية مهندسي التصميم والإنتاج.

ويتم السعي اليوم لتحقيق بيئة صناعية متكاملة مع شبكة حواسيب وقاعدة معطيات مشتركة تشكّل نظام تصنيع متكاملاً بمساعدة الحاسوب computer integrated manufacturing، إذ يضم هذا النظام، إضافة إلى شبكة الحواسيب والبرمجيات المعقّدة، مراكز تشغيل يتكون كل منها من فارزة رقمية وروبوت وطرفيات أخرى تسمح مجتمعة بمختلف عمليات التشغيل وتبديل القطع المصنّعة وتخزينها واختيار أدوات التشغيل المناسبة، إضافة إلى عمليات مراقبة جودة القطع المصنّعة واهتراء أدوات التشغيل بما يسمح بتلافي الأخطاء وتصحيحها آلياً.

 برامج Software

انظر أيضاً: قائمة شركات تصنيع بمساعدة الحاسوب (CAM) and تصنيف:برامج تصنيع بمساعدة الكمبيوتر

• BOBCAD-CAM from BobCAD-CAM
• CATIA from Dassault Systèmes
• CAM-Tool from C & G Systems
• CimatronE from Cimatron Group
• PowerMill from Delcam
• Dynavista from Nihon Unisys
• Edgecam from Planit
• Esprit from DP Technoogy
• GibbsCAM from Cimatron
• HyperMill from Open Mind
• Mastercam from CNC Software
• NX from Siemens PLM Software
• PowerMILL from Delcam
• Pro/E from PTC
• SolidCAM from SolidCAM
• Space E from NTTD
• SprutCAM from SPRUT Technology
• SurfCAM from Surfware
• TopCAM from Missler
• Tebis from Tebis AG
• VisiCAM from Vero
• Vericut from CGtech
• WorkNC from Sescoi

 انظر أيضا

• Computer-integrated manufacturing (CIM)
• Direct numerical control (DNC)
• Flexible manufacturing system (FMS)
• Integrated Computer-Aided Manufacturing (ICAM)
• Manufacturing process management (MPM)
• STEP-NC
• Rapid prototyping and rapid manufacturing – solid freeform fabrication direct from CAD models

 المصادر

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 مراجع للإستزادة

• U.REMBOLD, B. NNAJI AND A.STORR, Computer Integrated Manufacturing and Engineering (Addison Wesley 1993).
• D.D.BEDWORTH, M. R. HENDERSON AND P. M . WOLFE, Computer-Integrated Design and Manufacturing, (McGraw-Hill 1991).
• G.DOUMEINGTS, J. BROWNE &M.TOMLJANOVICH, Computer Applications in Production and Engineering CAPE’91 ( Elsevier Science publishers 1991).

 وصلات خارجية

• Dragomatz and Mann reviewed toolpath algorithms in 1997.
• Pocket Machining Based on Offset Curves by Martin Held
• Purdue University Purdue Research and Education Centre for Information Systems in Engineering
• How to evaluate a CAM system Sheetmetalworld.com article