فرآیند مهندسی معکوس در ساخت قطعات ماشین آلات فرش ماشینی

قاسم حیدری ، فوق لیسانس تکنولوژی نساجی از دانشگاه امیرکبیر

در کارخانجات صنعتی، سوای از خرابی های اجزای یک سیستم، پیری و اتمام عمر بعضی از اجزا و مکانیزیمهای یک سیستم زودتر از پیری و اتمام عمر کل سیستم ماشین آلات صنعتی بوقوع می پیوندد.

نوسازی و جایگزینی سیستم و ماشین آلات جدید مستلزم صرف هزینه های سنگینی می باشد. لذا اغلب تولید کنندگان سعی به تمدید عمر اجزای سیستم ها می کنند. بارها پیش آمده که قطعه خرابی را به تراشکار داده باشیم تا از روی آن قطعه جدیدی بسازد.

بعضا قطعه جدید، کپی برابر اصل نبوده و طول عمر قطعه جدید خیلی کمتر از قطعه اصلی خراب شده است. در بعضی از موارد نیز، در صورت افزایش استحکام غیر اصولی قطعه خراب شده، امکان صدمه دیدن سایر اجزای مهمتر و حساستر با قیمت بالا نیز وجود دارد. علاوه بر این، تراشکار هزینه ساخت آن را با بهترین مواد پیشنهاد می دهد که هزینه بسیار بالایی را در پی دارد. این عدم تناسب بین هزینه ساخت و کیفیت و استحکام قطعه سازی، ریشه در عدم آگاهی از فرآیند صحیح مهندسی معکوس دارد. در این مقاله، الگوریتمی به منظور ساخت قطعات مکانیکی بصورت صحیح و دقیق و درصورت نیاز، بهبود و بهسازی آن ارائه شده است.

چالش های پیش رو در ساخت قطعه جدید از روی قطعه خراب شده:

۱- عدم دسترسی و روشن بودن داده های فنی اصلی، شامل نقشه های مهندسی و نوع مواد و معیارهای طراحی در آن ها.

۲- انجام آنالیزهای شکست و خستگی و تنش، ارتعاش، کمانش و مباحثی از جمله خوردگی، تنش های پسماند، شبیه سازی بارهای وارده، آنالیز ترک ناشی از خستگی و برآورد عمر واقعی.

۳- مواد و فناوری ها و فرایندهای تولید.
پیشرفت چشمگیر اخیر در نرم افزارهای طراحی و آنالیز و همچنین در مواد و فرآیندهای ساخت، این امکان را به ما می دهد که حتی قطعات بهینه تری نسبت به قطعات قدیمی بسازیم.

در شکل زیر چرخ دنده انتقال حرکت موتور به چرخ دنده حلقه ای سیلندر اصلی کاردینگ Thibeauخط ریسندگی الیاف بلند پلی استر که پس از ساخت مکرر خراب شده است:

۱- الگوریتم فرآیند
فرآیند ساخت و بهینه سازی قطعات طی ۳ مرحله انجام می شود: مهندسی معکوس، مهندسی مجدد و نمونه سازی سریع که هر مرحله اجمالاً توضیح داده می شود.

۱-۱- مهندسی معکوس
مهندسی معکوس فرآیند خلق مجدد یک طراحی، بوسیله تجزیه و تحلیل یک محصول نهایی و یا فرآیند تولید یک قطعه موجود بدون کمک گرفتن از نقشه ها و مستندات یا مدل های کامپیوتری است. به طور کلی، مهندسی معکوس، فناوری برای تبدیل ابعاد هندسی نمونه به فایل دیجیتالی برای دوباره ساختن مدل هندسی قطعه است.

دقت مدل دوباره ساخته شده به درجه دقت فرآیند دیجیتالی کردن نمونه بستگی دارد. در مهندسی معکوس یک مدل از توده نقاط نمونه برداری شده متراکم (ابر نقاط) از ابتدا ساخته میشود و نقاط در تراکم بالا نمونه برداری میگردد تا محصول دقیق از نو ساخته شود. لازم به تاکید است که خروجی این فرآیند مهندسی معکوس، مدل سه بعدی به صورت پارامتری بیان CAD دیجیتالی، که در محیط شده است، می باشد.

۱- اسکن سه بعدی قطعه

۲- تشکیل ابر نقاط و مدل سطوح قطعه مورد نظر

۳- تشکیل مدل سطوح قطعه مورد نظر

۴- استخراج اجزای هندسی و ساخت مدل CAD سه بعدی در محیط

۱-۲- فرایند مهندسی مجدد قطعه مورد نظر
مهندسی مجدد، یک فرآیند برای بهینه سازی و تولید مجدد قطعاتی است که اغلب برای بهبود طراحی قبلی و یا به منظور بهینه سازی طرح موجود از لحاظ عملکرد، ساختار مواد، یا کل هزینه ساخت انجام می شود.

برای انجام این محاسبات، معمولاً مدل سه بعدی پارامتری نمونه مورد نظر به عنوان ورودی انتخاب شده و با استفاده از نرم افزارهای مهندسی، آنالیزهای طراحی از جمله ، حساسیتهای نمونه آشکار می شود. تجهیزات شبیه سازی و مدل سازی کامپیوتری از قبیل شبیه سازیهای دینامیکی، آنالیز المان محدود و روش های پیش بینی شکست و خستگی برای شبیه سازی رفتار شکست و خستگی قطعات می توانند بکار گرفته شوند.

نتایج شبیه سازی روی هندسه قطعه و مواد برای دستیابی به کارایی بهتر با حداقل هزینه (یا دستیابی به حداقل وزن قطعه که در اکثر شرایط عامل تعیین کننده می باشد) صورت می پذیرد. بر این اساس، انتخاب مواد و بهسازی شکل و هندسه نمونه انجام می شود. در انتخاب مواد به ارزانی، در دسترس بودن و خواص مهم ماده از جمله استحکام مکانیکی، صلابت، چقرمگی و استحکام در مقابل خوردگی باید توجه ویژه داشت.

در طراحی شکل و هندسه، قیدهای قطعه از جمله محل های نصب و اتصالات ثابت می ماند تا از نظر مونتاژ مشکلی ایجاد نشود. نهایتاً مدل بدست آمده در فضای مجازی، در مجموعه نصب شده و کارایی آن از نظر عدم تداخل با سایر قطعات، خصوصاً برای قطعات متحرک آزمایش می شود. در فرآیند مهندسی مجدد، طراحی با نگاه فراگیر به فرآیند تولید اقتصادی انجام می شود. در نهایت، مدل بهبود یافته به صورت نقشه های دو بیان می شود.

۱- محاسبات تنش و استحکام، استقامت در برابر بارهای وارده را داشته و تجزیه و تحلیل ساختاری و قابلیت اطمینان و محاسبات تنش، کرنش و تغییر شکل

۲- قابلت ساخت از نظر هزینه و زمان مقرون به صرفه بودن و شبیه سازی روش ساخت آن

۳- بهینه سازی شکل و هندسه

۴- شبیه سازی و محاسبات استحکام و عمر و محاسبات دینامیکی از جمله آنالیز شکست و خستگی

۵- استخراج اجزای هندسی و ساخت مدل سه بعدی در محیط CAD

– انتخاب مواد مورد نظر
جهت تعیین ترکیب شیمیایی برحسب درصد وزنی عناصر و استاندارد ماده مورد نظر، آزمون کوانتومتری صورت می پذیرد؛ تا با بدست آوردن نزدیک ترین استانداردها به آلیاژ مورد استفاده، اقتصادی ترین مواد جهت ساخت قطعه فراهم شود.

– نمونه سازی سریع
در نمونه سازی سریع، ماشین کاری و شکل دهی در محیط مجازی انجام می شود تا برنامه ریزی فرآیندهای ساخت نمونه کاربردی یا ساخت قطعات سخت و پیچیده قبل از ساخت نمونه اصلی انجام پذیرد و قطعه مورد نظر با یک ابزار به سرعت تبدیل به یک ایده طراحی مفهومی می شود و مدل فیزیکی، که تصور ذهنی طراحان بوده از این طریق تولید می شود.

معمولاً نمونه ساخته شده از این طریق، برای تایید هندسه مجدداً در سامانه نصب می شوند. علاوه بر این، نمونه های فیزیکی می توانند به عنوان نمونه های مومی یا پلاستیکی برای تولید قطعات اصلی از طریق فرآیندهایی مانند ریخته گری با قالب گیری سرامیکی (ریخته گری دقیق) نیز به خدمت گرفته شوند.

در عملیات ماشینکاری مجازی، سه مرحله ماشینکاری خشن (که در آن از ابزار خشن ترشی برای براده برداری استفاده می شود)، ماشین کاری نیمه خشن و ظریف تراشی تعریف می شود.

چرخ دنده ای که بصورت غیر اصولی طراحی و ساخته می شد و مکررا خراب می شد، توسط اصول الگوریتم مهندسی معکوس ارائه شده در مقاله، طراحی و بهینه سازی شد و بر روی ماشین نصب و مورد استفاده قرار گرفت.

چرخ دنده هایی که به طور متوسط طی حدود ۳۴ روز خراب می شد و یا به چرخ دنده حلقه ای سیلندر کاردینگ صدمه وارد می کرد، بدون صدمه زدن به چرخ دنده حلقه ای سیلندر کاردینگ طیمدت زمان خیلی بیشتری (۲۹ ماه) خراب گردید و کارآمدی الگوریتم تایید شد.