Ứng dụng công nghệ CAD, CAM và CIM

Máy tính điện tử được áp dụng cả trong lĩnh vực kỹ thuật lẫn việc điều hành, quản lý và quản trị. Về mặt kỹ thuật đã có hệ thống CAD (hệ thống máy tính hỗ trợ thiết kế) và CAM (hệ thống máy tính hỗ trợ việc chế tạo). Hai hệ thống này đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, như các phép toán ổn định và sức bền thân tàu, cho việc lập bảng tọa độ và làm trơn nhẵn đường hình dáng vỏ tàu, cho việc khai triển tôn, bố trí để tiết kiệm nguyên vật liệu, cho tính tải và dao động của động cơ diesel, cho việc khống chế tai nạn trên biển, cho hệ thống đường ống mà ta phải khai triển cắt góc. Các kỹ sư máy tàu và vỏ tàu của Tập đoàn Công nghiệp tàu thủy Việt Nam (VINASHIN) đã thiết kế và chế tạo các bản vẽ trên máy tính dựa vào các phần mềm chuyên dụng như Autoship, Ship Constructor, Nupas-cadmatic…, sau đó các bản vẽ được trực tiếp gửi tới máy CNC. Trong việc điều hành, quản lý và quản trị, hệ thống máy tính cũng đóng vai trò ngày càng quan trọng trong những xưởng của các nhà máy đóng tàu. Ngày này công nghệ máy tính đang phát triển rất nhanh, khuynh hướng mới là CIM, nghĩa là hệ thống máy tính tích hợp với chế tạo.

Xu hướng phân tán, mềm hóa và chuẩn hóa là ba trong nhiều điểm đặc trưng cho sự thay đổi này. Những xu hướng mới đó không nằm ngoài mục đích giảm giá thành giải pháp và nâng cao chất lượng hệ thống. Thông qua việc, ứng dụng rộng rãi các hệ thống mạng truyền thông trong công nghiệp, đặc biệt các hệ thống bus trường.

Mạng truyền thông công nghiệp cũng như công nghệ bus trường không phải là một lĩnh vực kỹ thuật hoàn toàn mới, mà thực chất là các công nghệ được kế thừa, chắt lọc và phát triển từ kỹ thuật truyền thông nói chung cho phù hợp với các yêu cầu trong công nghiệp. Từ hơn một thập kỷ nay, công nghệ bus trường đã trở nên không thể thiếu trong các hệ thống điều khiển và giám sát hiện đại. Song thực tế người sử dụng trong công nghiệp thường gặp phải hàng loạt các vấn đề khác nhau, do vậy trước khi xây dựng một giải pháp tự động hóa không còn là nên hay không nên mà là phải lựa chọn hệ thống mạng truyền thông nào cho phù hợp với yêu cầu và nhiệm vụ của ứng dụng thực tế.

Công nghệ máy tính có ảnh hưởng to lớn đến các hệ thống sản xuất trong suốt những thập kỷ qua. Các ứng dụng quan trọng của máy tính thể hiện trong nhiều lĩnh vực như điều khiển số, các hệ thống rôbốt, các hệ thống sản xuất linh hoạt và đặc biệt là chức năng điều khiển quá trình trong các hoạt động sản xuất, bao gồm từ khâu thiết kế sản phẩm đến lập kế hoạch và điều khiển sản xuất cùng với những hoạt động kinh doanh của doanh nghiệp như nhận đơn đặt hàng, tính giá và thanh toán với khách hàng. Những hoạt động này yêu cầu một quá trình xử lý thông tin là tích hợp các chức năng thiết kế, sản xuất và kinh doanh trong một thể thống nhất, giúp nhanh chóng đưa ra quyết định một cách chính xác, tránh các trùng lặp hoặc các thông tin mâu thuẫn nhau. Điều này thể hiện qua khái niệm về “hệ thống sản xuất tích hợp máy tính”.

Tại các xưởng đóng tàu, một loạt máy tính điện tử hiện đại đã được đưa vào sử dụng và một mạng lưới máy tính của toàn tổng công ty đã được kết nối Internet. Tốc độ và chất lượng của khâu thiết kế và chế tạo vì thế được đảm bảo và thu được lợi ích đáng kể.

Một số đặc điểm của hệ thống CAD, CAM và CIM

Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính CAD

CAD được định nghĩa là một hoạt động thiết kế liên quan đến việc sử dụng máy tính để tạo lập, sửa chữa hoặc trình bày một thiết kế kỹ thuật. CAD có liên hệ chặt chẽ với hệ thống đồ họa máy tính. Các lý do quan trọng có thể kể đến khi sử dụng hệ thống CAD là tăng hiệu quả làm việc cho người thiết kế, tăng chất lượng thiết kế, nâng cao chất lượng trình bày thiết kế và tạo lập cơ sở dữ liệu cho sản xuất. Các bước tiến hành một thiết kế với CAD: Tổng hợp (xây dựng mô hình động học); phân tích tối ưu hóa (phân tích kỹ thuật); trình bày thiết kế (tự động ra bản vẽ).

Khái niệm cơ bản về CAD

Mô hình hình học

Mô hình hình học là dùng CAD để xây dựng biểu diễn toán học dạng hình học của đối tượng. Mô hình này cho phép người dùng CAD biểu diễn hình ảnh đối tượng lên màn hình và thực hiện một số thao tác lên mô hình như làm biến dạng hình ảnh, phóng to thu nhỏ, lập một mô hình mới trên cơ sở mô hình cũ.

Từ đó, người thiết có thể xây dựng một chi tiết mới hoặc thay đổi một chi tiết cũ. Có nhiều dạng mô hình hình học trên CAD. Ngoài mô hình 2D phổ biến, các mô hình 3D có thể được xây dựng cho phép người sử dụng quan sát vật thể từ các hướng khác nhau, phóng to thu nhỏ, thực hiện các phân tích kỹ thuật như sức căng, tính chất vật liệu và nhiệt độ.

Mô hình lưới

Sử dụng các đường thẳng để minh hoạ vật thể. Mô hình này có những hạn chế lớn như không có khả năng phân biệt các đường nét thấy và nét khuất trong vật thể, không nhận biết được các dạng đường cong, không có khả năng kiểm tra xung đột giữa các chi tiết bộ phận và khó khăn trong việc tính toán các đặc tính vật lý.

Mô hình bề mặt

Được định nghĩa theo các điểm, các đường thẳng và các bề mặt. Mô hình này có khả năng nhận biết và hiển thị các dạng đường cong phức tạp, có khả năng nhận biết bề mặt và cung cấp mô hình 3D có bề mặt bóng, có khả năng hiển thị rất tốt mô phỏng quỹ đạo chuyển động như của dao cắt trong máy công cụ hoặc chuyển động của các rôbốt.

Mô hình đặc

Mô tả hình dạng toàn khối của vật thể một cách rõ ràng và chính xác. Nó có thể mô tả các đường thấy và đường khuất của vật thể. Mô hình này trợ giúp đắc lực trong quá trình lắp ráp các phần tử phức tạp. Ngoài ra, mô hình còn có khả năng tạo mảng màu và độ bóng bề mặt. Hơn nữa, người sử dụng có thể kết hợp với các chương trình phần mềm chuyên dụng khác để biểu diễn mô hình và tạo hình ảnh sống động cho vật thể.

Phân tích kỹ thuật mô hình

Sau khi có được phương án thiết kế thể hiện dưới dạng mô hình CAD sẽ trợ giúp mô hình. Hai ví dụ về việc phân tích mô hình là tính toán các đặc tính vật lý và phân tích phần tử hữu hạn. Tính toán các đặc tính vật lý bao gồm việc xác định khối lượng, diện tích bề mặt, thể tích và xác định trọng tâm. Phân tích các phần tử hữu hạn nhằm tính toán sức căng, độ truyền nhiệt…

Đánh giá thiết kế

Đánh giá thiết kế có thể bao gồm: tự động xác định chính xác các kích thước, xác định khả năng tương tác giữa các bộ phận. Điều này đặc biệt quan trọng trong các thiết kế lắp ráp nhằm tránh hai chi tiết cùng chiếm một khoảng không gian, kiểm tra động học. Điều này cần đến khả năng mô phỏng các chuyển động của CAD.

Tự động phác thảo bản vẽ

Lĩnh vực trợ giúp đắc lực thứ tư của CAD là khả năng tự động cho ra các bản vẽ với độ chính xác cao một cách nhanh chóng. Điều này rất quan trọng trong quá trình trình bày một thiết kế và tạo lập hồ sơ thiết kế.

Sản xuất với trợ giúp của máy tính CAM

Được định nghĩa là việc sử dụng máy tính trong lập kế hoạch, quản lý và điều khiển quá trình sản xuất. Các ứng dụng của CAM được chia làm 2 loại chính:

+ Lập kế hoạch sản xuất

+ Điều khiển sản xuất

Lập kế hoạch sản xuất

+ Ước lượng giá thành sản phẩm: Ước lượng giá của một loại sản phẩm mới là khá đơn giản trong nhiều ngành công nghiệp và được hoàn thành bởi chương trình máy tính. Chi phí của từng chi tiết bộ phận được cộng lại và giá của sản phẩm sẽ được xác định.

+ Lập kế hoạch quá trình với sự trợ giúp của máy tính: Các trình tự thực hiện và các trung tâm gia công cần thiết cho sản xuất một sản phẩm được chuẩn bị bởi máy tính. Các hệ thống này cần cung cấp các bản lộ trình, tìm ra lộ trình tối ưu và tiến hành mô phỏng kiểm nghiệm kế hoạch đưa ra.

+ Các hệ thống dữ liệu gia công máy tính hóa: Các chương trình máy tính cần được soạn thảo để đưa ra các điều kiện cắt tối ưu cho các loại nguyên vật liệu khác nhau. Các tính toán dựa trên các dữ liệu nhận được từ thực nghiệm hoặc tính toán lý thuyết về tuổi thọ của dao cắt theo điều kiện cắt.

+ Lập trình với sự trợ giúp của máy tính: Lập trình cho máy công cụ hoặc lập trình CNC là công việc khó khăn cho người vận hành và gây ra nhiều lỗi khi các chi tiết trở nên phức tạp. Các bộ hậu xử lý máy tính được sử dụng để thay thế việc lập trình bằng tay. Đối với các chi tiết có hình dạng hình học phức tạp, hệ thống CAM có thể đưa ra chương trình gia công chi tiết nhờ phương pháp tạo ra tập lệnh điều khiển cho máy công cụ hiệu quả hơn hẳn lập trình bằng tay.

+ Cân bằng dây chuyền lắp ráp với sự trợ giúp bằng máy tính: Việc định vị các phần tử trong các trạm lên dây chuyền lắp ráp là vấn đề lớn và khó khăn. Các chương trình máy tính như COMSOAL và CALB được phát triển để trợ giúp cân bằng tối ưu cho các dây chuyền lắp ráp.

+ Xây dựng các định mức lao động: Một bộ phận chuyên trách sẽ có trách nhiệm xác lập chuẩn thời gian cho các công việc lao động trực tiếp tại nhà máy. Việc tính toán này khá công phu và phức tạp. Hiện đã có một số chương trình phần mềm được phát triển cho công việc này. Các chương trình máy tính sử dụng dữ liệu về thời gian chuẩn cho các phần tử cơ bản, sau đó cộng tổng thời gian thực hiện của các phần tử đơn đó và chương trình sẽ đưa ra thời gian chuẩn cho công việc hoàn chỉnh.

+ Lập kế hoạch sản xuất và quản lý tồn kho: Máy tính được sử dụng trong hai chức năng lập kế hoạch sản xuất và lưu trữ. Hai chức năng này bao gồm ghi nhớ các bản ghi tồn kho, đặt hàng tự động các mặt hàng khi kho rỗng, điều độ sản xuất chủ, duy trì các đặc tính hiện tại cho các đơn đặt hàng sản xuất khác nhau, lập kế hoạch nhu cầu nguyên vật liệu và lập kế hoạch năng lực.

Điều khiển sản xuất

Điều khiển sản xuất liên quan tới việc quản lý và điều khiển các hoạt động sản xuất trong nhà máy. Điều khiển quá trình, điều khiển chất lượng, điều khiển sản xuất phân xưởng và giám sát quá trình đều nằm trong vùng chức năng của điều khiển sản xuất. Ở đây máy tính tham gia trực tiếp (on-line) vào các hoạt động sản xuất trong nhà máy. Các ứng dụng của điều khiển quá trình sử dụng máy tính là khá phổ biến trong các hệ thống sản xuất tự động hiện nay. Chúng bao gồm các dây chuyền vận chuyển, các hệ thống lắp ráp, điều khiển số, kỹ thuật rôbốt, vận chuyển nguyên vật liệu và hệ thống sản xuất linh hoạt.

Điều khiển hoạt động sản xuất phân xưởng liên quan tới việc thu nhập dữ liệu đó để trợ giúp điều khiển sản xuất và lưu trữ trong nhà máy. Các công nghệ thu nhập dữ liệu máy tính hóa và giám sát quá trình bằng máy tính đang là phương tiện được đánh giá cao trong hoạt động sản xuất phân xưởng hiện tại.

Hệ thống CAD/CAM

Khái niệm CAD/CAM dù đã có từ rất lâu nhưng vẫn đang tiếp tục được phát triển và mở rộng. Ban đầu CAD và CAM được sử dụng độc lập để mô tả việc lập trình bộ phận với sự trợ giúp của máy tính và các bản vẽ, đồ họa. Trong những năm gần đây, hai khái niệm này được nối kết với nhau để tạo ra khái niệm thống nhất CAD/CAM, biểu diễn một phương pháp tích hợp máy tính trong toàn bộ quá trình sản xuất bao trùm cả hai khâu thiết kế và sản xuất. Cụ thể trong pha thiết kế bao gồm toàn bộ các hoạt động liên quan đến các dữ liệu kỹ thuật như bản vẽ, các mô hình học, phân tích các phần tử hữu hạn, bản ghi các chi tiết và kế hoạch, thông tin chương trình NC. Trong khâu sản xuất, các ứng dụng của máy tính bao trùm trong lập kế hoạch quá trình, điều độ sản xuất, NC, CNC, quản lý chất lượng và lắp ráp.

Mục đích của tích hợp CAD/CAM là hệ thống hóa dòng thông tin từ khi bắt đầu thiết kế sản phẩm tới khi hoàn thành quá trình sản xuất. Chuỗi các bước được tiến hành với việc tạo dữ liệu hình học, tiếp tục với việc lưu trữ và xử lý bổ sung, và kết thúc với việc chuyển các dữ liệu này thành thông tin điều khiển cho quá trình gia công, di chuyển nguyên vật liệu và kiểm tra tự động được gọi là kỹ thuật trợ giúp bởi máy tính CAE (Computer – Aided Engineering) và được coi như kết quả của việc kết nối CAD và CAM.

Mục đích của công nghệ CAE không chỉ thay thế con người bằng các thiết bị máy tính hóa mà còn nâng cao năng lực của con người để phát minh các ý tưởng và những sản phẩm mới.

Sản xuất tích hợp máy tính hóa CIM

Sản xuất tích hợp máy tính hóa bao gồm tất cả các chức năng kỹ thuật của CAD/CAM cũng như các chức năng kinh doanh. Các hệ thống CIM lý tưởng áp dụng công nghệ máy tính đối với tất cả các chức năng vận hành và xử lý thông tin trong sản xuất, từ xử lý đơn đặt hàng, thiết kế và sản xuất tới giao sản phẩm tới khách hàng. Phạm vi tác động của CIM rộng hơn so với phạm vi của CAD/CAM.

Khái niệm CIM có nghĩa là tất cả các hoạt động sản xuất đều được kết hợp lại trong một hệ thống máy tính để được hỗ trợ, được tự động hóa. Hệ thống máy tính tỏa rộng và tác động vào tất cả các hoạt động của doanh nghiệp. Đây là hệ thống tích hợp, đầu ra của hoạt động này là đầu vào của một hoạt động khác, tạo thành dây chuyền, các sự kiện bắt đầu từ khâu đặt hàng tới tận khâu chuyển giao sản phẩm.

Đơn đặt hàng sẽ được nhập vào phòng bán hành của doanh nghiệp nhờ hệ thống đặt hàng máy tính hoá. Các đơn đặt hàng này bao gồm các thông số đặc trưng của sản phẩm, các thông số này sẽ là đầu vào của phòng thiết kế sản phẩm. Các sản phẩm mới sẽ được thiết kế trong hệ thống CAD. Các phần tử tạo nên sản phẩm sẽ được chuyển thành cấu trúc vật tư sản phẩm, sau đó sơ đồ lắp ráp được chuẩn bị. Đầu ra của phòng thiết kế sẽ là đầu vào của phòng kỹ thuật sản xuất. Tại đây, việc lập kế hoạch quá trình gia công, thiết kế công cụ và các hoạt động chuẩn bị cho sản xuất được thực hiện. Đầu ra của phòng kỹ thuật sản xuất được đưa vào phòng lập kế hoạch và điều khiển sản xuất-Tại đây, kế hoạch về nhu cầu nguyên vật liệu và điều độ được thực hiện bởi hệ thống máy tính.

Các hoạt động sản xuất được trợ giúp bởi máy tính có thể rơi vào vùng lập kế hoạch quá trình hoặc lập kế hoạch sản xuất. Lập kế hoạch quá trình liên quan đến việc chuẩn bị các tài liệu về kế hoạch sản xuất sản phẩm, chức năng này được thực hiện bởi hệ thống lập kế hoạch quá trình với sự trợ giúp của máy tính CAPP (Computer - Aided Process Planning). Một số chức năng trong quản lý sản xuất liên quan đến lập kế hoạch như lập kế hoạch về nhu cầu nguyên vật liệu MRR ( Material Requirement Planning) và lập kế hoạch về năng lực CP (Capacity Planning).

Đào Quang Thuỷ

Related Posts by Categories