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第五章 設計自動化：電腦輔助工程 ( CAE )

第五章 設計自動化：電腦輔助工程 ( CAE ). 第五章 設計自動化：電腦輔助工程 (CAE). 5.1 針對製造與組裝的設計 ( Design for Manufacturing and Assembly ) 5.2 電腦輔助工程分析 ( Computer-Aided Engineeing Analysis ) 5.3 電腦輔助工程評估 ( Computer-Aided Engineeing Evaluation ). 第五章 設計自動化：電腦輔助工程 ( CAE ). 5.4 群組技術 ( Group Technology ) 5.5 生產工程策略

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第五章 設計自動化：電腦輔助工程 ( CAE )

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  1. 第五章 設計自動化：電腦輔助工程(CAE)

  2. 第五章 設計自動化：電腦輔助工程(CAE) • 5.1 針對製造與組裝的設計(Design for Manufacturing and Assembly) • 5.2 電腦輔助工程分析 (Computer-Aided Engineeing Analysis) • 5.3 電腦輔助工程評估 (Computer-Aided Engineeing Evaluation)

  3. 第五章 設計自動化：電腦輔助工程(CAE) • 5.4 群組技術 (Group Technology) • 5.5 生產工程策略 (Production Engineeing Strategies) • 5.6設計與生產工程網路 (Design And Production Engineering Network) • 5.7 摘 要(Summary)

  4. 定義電腦輔助工程(CAE) • CAE是使用電腦技術去計算產品作業性、功能性以及製造參數的工程設計之分析與評估;而這些工作對於傳統方法是太複雜的。 • 產品的形式、配合及功能特性研究包含於此定義中的作業性及功能性兩項目上，而設計需求與生產能力之間的配合檢驗包含於製造參數項目中。 • 對於傳統方法是太複雜，指經由CAE軟體所執行的程序若改由人工處理的話，其量化困難度、計算數目及分析時間對於人工處理是不可能的。

  5. 定義電腦輔助工程(CAE) • CAE與綜合化、分析及評估階段的設計程序(如圖3-14)是相吻合的，而且與稍早所描述的並行工程 (CE)原則是相一致的。 • 在綜合化階段，最主要的CAE活動是針對製造與組裝原則所設計的製造能力。 • 在分析及評估階段，從CAE作業所得到的輸出由CE團隊用來決定產品設計的品質。

  6. 定義電腦輔助工程(CAE) • 電腦輔助工程同樣地也提供具生產力的工具以輔助生產工程。支援群組技術 (GT)、電腦輔助程序規劃 (CAPP)以及電腦輔助製造 (CAM)的軟體都包含於 CAE的大標題下。 • 由於 CAE在設計過程中的應用與使用的結果，CAE對於第2章所描述的五個製造系統分類及四個生產策略而言都是需要的。

  7. 5-1 針對製造與組裝的設計 • 設計程序中的綜合化階段增加了基本的工件幾何細節，而應用針對製造與組裝設計(design for manufacturing and assembly,DFMA)的指導方針與限制重新設計產品，使得產品更加完整。 • DFMA的定義:DFMA是從產品設計的開始就考慮生產因素的任何程序或設計流程。 • 這個定義指出從概念化到評估階段的每個設計活動中，都必須強調產生一個滿足市場需求且可以成功地製造的設計。

  8. 5-1 針對製造與組裝的設計 • 1.DFMA的主要歷史 • 2.DFMA的驗證 • 3. DFMA人工程序

  9. 1.DFMA的主要歷史 • DFMA的努力主要起源於兩個不同的推動力:生產力工程及針對組裝之設計。 • 生產力工程最主要動力來源是產生可以個別容易製造的簡單零件。生產力工程可以確保工件容易製造。整個產品對於製造與組裝而言是困難的且高成本的。 • 針對組裝設計的原則是經由減少或結合零件數目以達到簡化產品結構的目的。雖然組裝效率增加，但是由於最佳製造程序並非是最主要的考量，產品的總成本並非最少的。

  10. 1.DFMA的主要歷史 • 由於製成品的製造與組裝必須同時考慮，所以DFMA對於設計分析是一種全面性的方法。 • 設計過程中同時考量製造與組裝可以降低總成本。

  11. 2.DFMA的驗證 • 由於70%的產品成本是在產品離開最初設計時就決定了。因此，在設計階段早期的DFMA使用是必需的。由於重要決定如材料、程序以及組裝需求在設計早期就已經決定，所以產品成本是固定的。 • DFMA對產品最大影響就是降低整體的零件數目，降低零件數目可降低總產品成本並增加產品的可靠度。

  12. 3. DFMA人工程序 • DFMA程序包含了人工與電腦執行。從人工觀點來看，DFMA提供了逐步程序去詢問設計者有關工件的功能、材料限制及組裝時工件組合方式。 • DFMA軟體可以計算組裝時間、產品成本以及理論上之最少零件數目。除此之外，軟體的製造部分可決定各種不同材料選項(鋼鐵和塑膠 )及製造程序 (切削加工和鑄造)以生產最有成本效益的零件產品。

  13. 3. DFMA人工程序 • DFMA開始於針對組裝的有效設計，因為組裝仍然是製造成本中的最大部分。 • 如果產品設計的組裝更容易且更快速，則成本可以下降並得到高品質產品。

  14. 圖5-1 轉軸/軸蓋之組裝

  15. 圖5-2 組裝方法評分表

  16. 圖5-3 轉軸/軸蓋組裝之另案

  17. DFMA領域中的CAE軟體可輔助設計者去計算其他設計方案的成本DFMA領域中的CAE軟體可輔助設計者去計算其他設計方案的成本 • DFMA軟體可用來分析這兩個轉軸/軸蓋之組裝設計，圖5-4顯示出經由DFMA軟體提供的成本分析，這些成本包括刀具、材料、製造及組裝。 • DFMA軟體並提供射出成型模具成本、加工成本及其他材料的額外分析。 • DFMA鼓勵設計者打破舊有設計概念並生產低成本產品。 • DFMA的設計經常提供更複雜的個別零件，但是卻簡化了產品結構且減少總生產成本。

  18. 圖5-4 DFMA 成本分析

  19. 5.2 電腦輔助工程分析 (CAE) • 設計程序中分析階段的設計測試需要很多CAE軟體，根據想要測試的功能以選擇軟體。 • CAE與CAD是緊密配合的，在大部分應用例子中，CAD所產生產品圖形的資料與資訊經常是 CAE軟體的輸入部分，CAE軟體採用CAD所產生的工件幾何檔案圖形進行分析。 • 分析階段中的 CAE應用可分為兩類: 有限元素分析與質量屬性分析 。

  20. 有限元素分析 • CAE應用最常使用的就是有限元素分析(FEA)，其定義如下： • FEA是透過將物體分解成一堆小方塊(稱作有限元素)，對於結構與電路之功能表現進行分析與研究的一種數值程式技術。 • 大部分的FEA應用可分為兩類:機械系統與電子電路 。

  21. 機械系統 • 機械系統的FEA程序開始於採用CAD軟體產生工件或結構的幾何模型。 • 3-D的CAD模型區分為有限數目之小區塊，這些小區塊在節點的地方彼此互相連結，圖5-5顯示出內燃機活塞的FEA網格及節點。 • FEA軟體提供數學方程式去描述當物體受到刺激或外力時節點的反應。

  22. FEA軟體所包含的廣泛應用範圍有: • 1.靜力分析 • 2.暫態動力響應分析 • 3.自然頻率分析 • 4.熱傳分析 • 5.運動分析 • 6.流體分析

  23. 質量屬性分析 • 質量屬性分析是設計過程中經常使用到的CAE功能，而且包含於大部分CAD軟體中，資料屬性指驅動CAD系統去計算圖形幾何所描述的屬性數值資料。 • 在基礎應用2-D CAD形狀的面積或者3-D實體物件的體積可以被計算並顯示。更多複雜的資料屬性分析包含質量、界限箱、形心、慣性矩、慣性積、迴轉半徑以及形心於X-Y-Z方向的主慣性矩。

  24. 圖5-8 擠出鋁製軌道模具圖形

  25. 圖5-9 DFMA 輸入螢幕

  26. 圖5-10 其他設計方案的DFMA模具設計分析

  27. 5.3 電腦輔助工程評估 • 設計分析流程提供各種不同設計方案的大量資料，決定真正設計與原始設計之目標與規格間相關符合的檢驗是評估過程的一部分。 • 資料檢驗是由並行工程團隊中的每個成員所執行，並建議設計上的改變。執行CAE的分析與評估功能等活動是困難的，重點是CAE軟體提供具備分析及評估設計品質的功能。

  28. 原型成型 • 建構設計的原型是一個長久以來的實務作法。原型是設計的最原始模型，在大量生產產品之前可用來評估產品的操作性能。 • 例如汽車工業建構新型汽車的縮小尺寸木製或金屬模型，進行車身的空氣動力學之風洞測驗。 • 而相同公司建造新引擎設計的完整尺寸模型並進行操作測試。

  29. 原型成型 • 然而，設計的原型仍然是一個重要的評估過程，為了縮短產品進入市場的前置時間，需要更快速的原型成型技術。 • 好幾種不同的快速成型技術可以減少發展原型工件的時間。

  30. 快速原型成型 • 快速原型成型技術是可以快速地將新設計建構出樣品的技術，快速原型成型在評估階段是一個可靠工具。 • 這些系統將工件的3-D CAD模型切割成細薄的水平剖面，然後一層一層地將設計變換成一個物理模型或原型。 • 快速原型成型系統可以由RISC工作站或大型微電腦平台所驅動。採用一個完全封閉的3-D CAD曲面或實體模型檔案;CAD軟體將幾何形狀轉換成快速原型成型系統可接受的檔案格式。

  31. 例如3D-Systems公司所發展的立體平版印刷是採用STL檔案格式，而所有主要的CAD軟體均能轉換成STL檔案格式。例如3D-Systems公司所發展的立體平版印刷是採用STL檔案格式，而所有主要的CAD軟體均能轉換成STL檔案格式。 • 快速原型成型系統的例子，下面將描述現今一些快速原型成型系統。 • 1.立體平版印刷(圖5.11所示) • 2.固體磨平硬化 • 3.選擇式雷射燒結(圖5.13所示) • 4.三維列印 • 5.熔解沉澱模型(圖5.14所示) • 6.層狀物體製造

  32. 1.立體平版印刷(圖5.11所示) • 此程序採用裝有光感應聚合物液體的容器;具有垂直控制平台及可以在聚合物表面對焦的伺服控制雷射(圖5-11所示)。 • 平台位置是在聚合物容器中液體下方，系統中的電腦可以讀取原型工件的STL CAD檔案，且將工件由上往下分割剖面，剖面厚度一般從0.0015到0.005英吋之間。較薄切片以產生更平滑的模型，但是相對的處理與製造時間也會增加。

  33. 雷射會將聚合物硬化，當平台上工件的第一個剖面產生時，電腦會控制平台高度往下降低一個厚度，因此另一層薄聚合物層會蓋住下剖面，然後雷射將下一層薄表面硬化。雷射會將聚合物硬化，當平台上工件的第一個剖面產生時，電腦會控制平台高度往下降低一個厚度，因此另一層薄聚合物層會蓋住下剖面，然後雷射將下一層薄表面硬化。 • 當產生工件後，工件必須被徹底地清理然後保存於爐中以得到良好的材料強度。

  34. 圖5.11 3D立體平版印刷系統

  35. 選擇式雷射燒結(圖5.13所示) • 選擇式雷射燒結(SLS) 採用高能量雷射去熔解或燒結粉末使之變成固狀物體(圖5-13)。 • 使用類似立體平面印刷技術，SLS雷射會沿著每個剖面形狀軌跡熔解薄層的粉末;接著機械滾軸將粉末灑在已完成表面的上端，雷射沿著下一個剖面軌跡行走。 • 現今的SLS系統可採用三種材料:蠟、聚碳酸脂及乙烯氯化物。 • 未來圖5.13 DTM公司的選擇式雷射燒結亦可採用ABS、尼龍及其他陶瓷材料。 • 精度變化根據工件尺寸大小介於0.00到0.015英吋之間。層狀厚度變化介於0.003到0.02英吋之間。

  36. 5.13 DTM公司的選擇式雷射燒結

  37. 熔解沉澱模型(圖5.14所示) • 熔解沉澱模型(FDM)如圖5-14所示，是透過移動一個塑膠或蠟的薄擠出線去建構每個剖面;將塑膠或蠟線放在工件上方並加熱溶化。同樣地，工件也是一次建構一個剖面，這種技術相當快速而且所使用的材料便宜。 • 由FDM技術所產生的幾何形狀會有粒狀表面且材料被限制於鑄造蠟與類似尼龍之材料。 • 圖5-15由FDM技術所建造的原型。由Stratasys公司開發的系統所產生的FDM模型如圖5-16所示。 • 注意!必須使用可以在電腦螢幕上顯示出實體模型的CAD工作站。

  38. 5.14 Stratasys公司的熔解沉澱模型

  39. 5.15 熔解沉澱模型所產生的工件

  40. 5.16 熔解沉澱模型之快速原型成型系統

  41. 5.4 群組技術 • 群組技術(GT)並非是與設計或生產工程領域相關的自動化策略。舉例而言，GT對將描述的電腦輔助程序規劃與生產工程活動是最重要的首要步驟。 • 群組技術定義如下: • GT是一種利用所有元件中其設計或製造的相似性去進行小或中批量生產的製造哲學。

  42. 執行群組技術可以產生專業的生產單元，由編碼系統組成的工件族可以在針對此工件族所選擇的生產機器中生產。執行群組技術可以產生專業的生產單元，由編碼系統組成的工件族可以在針對此工件族所選擇的生產機器中生產。 • 舉例而言，研究圖5-17所顯示的工件並列出所有工件的共同特徵。 • 共同特徵與加工操作: • (1)類似的尺寸及形狀 • (2)原料都是鑄造件 • (3)都需要在同一個方向鑽內孔 • (4)都必須經過面銑處理 • (5)大部分在同一個方向上均有孔洞。

  43. 從圖5-17的圖示中看起來並不明顯的其他共同特徵包括所需要的尺寸公差、材料種類及表面精度要求。從圖5-17的圖示中看起來並不明顯的其他共同特徵包括所需要的尺寸公差、材料種類及表面精度要求。 • GT對於幾何及生產特徵的工件分類提供了一種結構性方法。將所有工件進行GT編碼，公司可將所有製造零件分類成可在某單一生產單元加工的工件族。 • 轉換成GT與單元製造可支持下列的贏得訂單準則:更短的前置與準備時間、減少加工中工件與製成品的庫存及更少之物料管理。

  44. 圖5-17 群組技術的工件族

  45. 零件的編碼與分類 • 編碼是根據工件的特徵建立符號與數字的系統化過程。 • 分類是根據編碼的數值進行工件分組。 • 因為編碼系統必須被設計以產生具有共同特徵的正確組合之分類族群，所以GT的編碼與分類彼此互相具有交互作用。 • 採用層級、鏈狀或混合編碼結構可將工件特徵相類似的工件歸類到同一族群。

  46. 層級編碼結構 • 層級編碼結構又稱單獨編碼又稱樹狀結構;將所有工件根據相同尺寸區分成幾個不同的次族群。 • 研究圖5-18中所有工件都是圓柱型態的例子，根據長度與直徑的比例將所有工件分成兩個族群 (>1.5與<1.5)，因此每個族群的次族群大小是大約相等的。 • 編碼中數字的數目是依據樹形圖裏不同層級的數目所決定，在相同層級的編碼數目中只有一個數字是不同的。 • 層級結構的優點採用較少編碼數字可以代表很多資訊，缺點就是定義所有分支所產生的複雜性。

  47. 圖5-18 GT的單一編碼 方式

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