المتطلبات العالمية … وصناعة السيارات محلياً

أستاذ هندسة الدقة بالمعهد القومي للقياس والمعايرة المصري
رئيس قسم هندسة الميكاترونيكس بمعهد الأهرامات العالي للهندسة والتكنولوجيا
أستاذ زائر في كل من جامعة مصر للعلوم والتكنولوجيا وجامعة الأهرام الكندية
وعضو جمعية مهندسي السيارات الأمريكية واليابانية
https://www.researchgate.net/profile/Salah_H_R_Ali
صناعية السيارات هي قاطرة الإقتصاد العالمي. الصناعات المتقدمة في السيارات تحتاج دوماً لكفاءات هندسية متخصصة لكونها تصنف ضمن الأعمال الريادية حول العالم. في هذا المقال سوف نلقي الضوء على الحقبة الجديدة في صناعة السيارات وأهمية تطويرها وفق المعايير القياسية الدولية لتكون ضمن الأعمال الريادية في الوطن العربي في ضوء مجريات الثورة الصناعية الحالية الرابعة واستعداداً للثورة الصناعية الخامسة.
أول عربة في التاريخ: عربة أحمس الحربية التي صُنعت على أرض مصر الكنانة وحققت انتصار رمسيس الثاني في معركة قادش 1274 ق.م. ثم ظهرت العربة المصرية (Ancient Egyptian chariot) بشكلها المعروف حتى الآن بعجلتيها الخشبية الأربعة وسرعتها الحصانية. في عام 1897 نجحت محاولة شركة DMG في انتاج أول سيارة ركوب ذات محرك أمامي بإسطونتين بأربع عجلات وبسرعة تصل الى km/h 16 وذلك بعد إختراع السيد Benz الشهير عام 1886 في ألمانيا. ولكن بعد نجاح مهندس ألماني (من اصل فرنسي) يدعى Rudolf Diesel عام 1913 باختراع محرك إحتراق داخلي يعمل بوقود الديزل، ففي 1927 ظهرت أول سيارة ركوب تعمل بمحرك احتراق داخلي بوقود الديزل. وخلال أربعينيات القرن الماضي، بدأت الثورة الحقيقية لصناعية السيارات، حيث أنتشرت السيارة Bosch الألمانية والسيارة Ford الأمريكية والسيارة Peugeot الفرنسية فتغيرت سولك وحياة الناس. بينما في عام 1950 كانت مصر والهند من أوائل الدول التي استوردت هذه الأنواع من السيارات على استحياء بغرض الإستخدام. ومع ثورة مصر في 23 يوليو عام 1952 بدأت القيادات الوطنية في التفكير لتصنيع سيارة مصرية. وفي عام 1960 اتفقت مصر مع إيطاليا على تصنيع السيارة 128 بأيدي وطنية على أرض مصر بحماس عدد من المخلصين منهم المهندس المصري الدكتور عادل جزارين (1926–2021) والذي شرفت بلقائة خلال فترة دراستي الجامعية في النصف الأول من ثمانينيات القرن الماضي). حيث ظهرت في السوق المصري أول سيارة بأيدي مصرية عام 1962. ومنذ ذلك التاريخ توالت وتنوعت المنتجات المصرية من السيارات مروراً بالسيارة 127 ايطالية التصميم، بولونيز بولاندية التصميم وشاهين تركية التصميم في مصانع شركة النصر لصناعة لسيارات بواي حوف في حلوان. كما أنتجت مصر أنواع من محركات الديزل وباصات بأيدي مصرية. حيث وصل عدد مصانع السيارات في مصر إلى أكثر من 18 مصنع لإنتاج تشكيلة متنوعة من السيارات الركوب وغيرها بجميع تصنيفاتها بخلاف عدد كبير من مصانع الصناعات المغذية الوطنية ليصل إنتاجهم إلى حوالي 60 ألف سيارة سنوياً لتلبية متطلبات السوق المحلي والعربي. لذلك يمكن القول: في بداية السبعينيات من القرن الماضي: قد دخلت مصر بعمق مجال صناعة السيارات والصناعات المغذية، ومع تقدم الأتمتة وصناعة الروبوتات توالت الدول العربية مثل المغرب والجزائر والسعودية. ولكن مع توجهات خفض انبعاثات التلوث البيئي وارتفاع تكلفة البترول وأسباب أخرى كثيرة…
الآن يعيش العالم حقبة جديدة في صناعة السيارات: خصوصاً مع بداء انتشار شراكات تصنيع السيارات الكهربائية من خلال اجراء العديد من الإتفاقيات والتكتلات الصناعية بين الدول حول العالم، وإن كان لنا فيها رأي آخر. لكن بشكل عام: لكي يكون لنا دور ريادي في هذه الحقبة الجديدة، سواء في صناعة السيارات الكهربائية أو المزيد من صناعة السيارات التقليدية ذات محركات الإحتراق الداخلي، ينبغي أن تهتم مؤسساتنا الوطنية والعربية بالمواصفات والمقاييس العالمية المستحدثة. كما أن عملية التثقيف والتوعية بهذه المعايير دورمهم جداً في جودة صناعة السيارات، الصناعات المغذية وكذلك لتحقيق تعاون إقتصادي متوازن بين الدول، خصوصاً مع صدور قانون المترولويجيا المصري رقم 203 لسنة 2020 (نأمل ان نعرج حوله في مقال آخر جديد، إن كان في العمر بقيه). حيث يهمنا في هذا المقال إلقاء الضوء على أهمية نظام Geometric Dimensions and Tolerances (GD&T) الذي يتميز بمعايير سمات الشكل الهندسي في التصميم والتصنيع للأجزاء والمجسمات الهندسية، خصوصاً في مجالات تصميم وإنتاج السيارات والروبوتات. وذلك من خلال إستعراض نبذه تاريخية، التحديات، أهميتة هذا النظام في توحيد المفاهيم الهندسية، والتمييز خلال التعاقدات والاتفاقيات الدولية. فلكي يكون الرسم الهندسي والتصميم والتصنيع لغة تواصل هندسية عالمية، فإنه يجب أن نتفق على مفاهيم عالمية قياسية مثل GD&T بإسلوب واضح وقابل للتطبيق. حيث يُعد نظام GD&T أداة مهمة في نجاح خطة سير عمل المشاريع الهندسية. لذلك لابد من دراسة وفهم السمات الهندسية وفقاً للمواصفات القياسية العالمية. لأن نجاح أي مشروع صناعي يعتمد على محورين أساسيين: الفهم الجيد واستيعاب مراحل عملية التصنيع والإنتاج مع ضمان الجودة بتوثيق وتطبيق المعايير الهندسية بصرامة من خلال إدارة إقتصادية رشيدة، خصوصاً في صناعة السيارات..
لمحة تاريخية عن نظام GD&T: بدأت الفكرة عندما أثار إنتباهه السيد Stanley Parker مفهوم الموضع “True position” للأجزاء الهندسية كما هو معروف الآن. فمنذ عام 1938، كان السيد Parker يعمل في مصنع ذخيرة بريطاني. وخلال فترة عمله، عثر على أجزاء طوربيد تم استبعاده خلال الإستخدام العملي له. وفي ذلك الحين، اكتشف أنه على الرغم من أن العديد منها كانت من الناحية الفنية داخل نطاق المواصفات المسموح بها عند فحصها النمطي وإستلامها من خط الإنتاج ، إلا أنها كانت مع ذلك أجزاء لا يمكن في الواقع إستخدامها. وبعد إجراء المزيد من الدراسة، اكتشف أن تفاوتات الإحداثيات X-Y النموذجية أنتجت منطقة تسامح مربعة. فعلى الرغم من أن بعض أبعاد العناصر العاملة كانت داخل دائرة تحيط بزوايا المربع، إلا أن بعضها الآخر كان بالكاد خارجها. ورأى أنه في معظم الظروف، إن القطع التي تقع ضمن تلك المنطقة الدائرية التي يتم إنتاجها من خلال تطبيق نفس التسامح تكون وظيفية تماماً إذا كانت الزوايا ضمن المواصفات. بعد قرابة 18 عام، أي في 1956 صدر كتاب بعنوان “الرسومات والأبعاد” للسيد Parker موضحا به نظام GD&T. منذ ذلك الحين، تم إضافة أفكار بمسميات مختلفة مثل الإستقامة والتسطح والإستدارة (RON) وأكثر من ذلك بكثير إلى تفسير السيد Parker للموضع الفعلي. لذلك، أصبح من الضروري إنشاء نظام GD&T خاص لدعم عملية مواصفات التسامح في التصنيع حول الإحداثيات. حيث اعتمد الجيش البريطاني مفهوم GD&T في أواخر الخمسينيات، وهذا ربما كان أحد أسرار تقدمه حتى الآن في الصناعات العسكرية. بعد أن أكتملت الصورة قامت الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين (ASME) بإعداد معايير لنظام GD&T في الولايات المتحدة عام 2009 والذي تم تحديثه عام 2018، ومن ثم تم توحيده وإقراره كمواصفة عيارية من قِبل المنظمة الدولية للتقييس (ISO). بينما اقتصر دور جمعية مهندسي السيارات الأمريكية (SAE)على وصف نظام GD&T كلغة دولية تستخدم في الرسومات والتصاميم الهندسية والتدريب عليه لضمان تشجيع نشرة لتحسين صناعة السيارات والروبوتات الصناعات المغذية. حيث أصبح يستخدام هذا المعيار على نطاق واسع اليوم في مجموعة متنوعة من المؤسسات العالمية.
التحديات: من أكبر المشاكل التي تواجه المهندسين في عملية التصنيع هو أن الحجم والأبعاد عادة ما تختلف عن نموذج CAD الأصلي الذي أعده مهندس التصميم بسبب درجة دقة الماكينة، دقة أدوات ومستلزمات التشغيل، وكذلك دقة المُشغل. لذلك نعتبر نظام GD&T من أهم أدوات المهندسين اللازمة لإضافة تفاصيل دقيقة للرسم والتصميم لتصنيع منتج مطابق للمواصفات المطلوبة ليعمل بشكل متوافق تماماً مع باقي الأجزاء عند التجميع، عن ذي قبل، متخطياً نظام التسامح التقليدي. يتأثر أداء المنتج وجودته وتكلفته بشكل كبير بمدى مراعاة تطبيق نظام GD&T في عملية التصميم للتصنيع. لذا يجب أن يكون لدى طلاب الهندسة والمهندسين معرفة واسعة بأهمية نظام GD&T وفوائده في عمليات الإنتاج وكيفية استخدامه بشكل صحيح وفقاً للمعايير القياسية الدولية لتأسيس مهندس متميز في المستقبل. يهدف فهم نظام GD&T إلى التحقق من الدقة والإتقان في التصميم وتجاوز الحدود، الملائمة، التفاوتات والتي تسمى بسمات الشكل الهندسي والاتجاه والموضع. مما يزيد من العينات المقبولة وتقليل العينات المرفوضة، وهذا بلا شك يؤدي إلى تحسن جودة المنتج وتوفير وقت التصنيع، فيزيد من إمكانية نجاح المشروع وتحقيق ارباح. كما يُمكن المهندس من التخيل ورؤية كيف يمكن لنظام GD&T أن يساعد في تغيير القرارات في عملية التصميم والتصنيع في المشاريع الريادية لتحقيق تميز.
نظام GD&T: هو نظام عبارة عن مجموعة من لغة الرموز الموحدة التي تساعد المهندس المصمم على التواصل مع شركاء التصنيع والمفتشين حول التباين المسموح به للمنتج في الحجم والشكل والموقع والاتجاه، متفوقاً على نظام التسامح النمطي أو التقليدي. حيث يصف سمات الشكل الهندسي الاسمي للجزء ومدى التسامح المسموح به في الحدود المقبولة فيما يتعلق بأولوية المنتج كجزء يجب أن يلعب دوراً مع الأجزاء المرتبطة في التجميع. إذا كان تجميع المنتج غير مناسب، فسوف يستغرق الأمر وقتاً أطول لمراجعة التصميم مما يرفع تكاليف الإنتاج من خلال إعادة العمل. لذا يتم إدراج إرشادات الرموز أو هذه السمات في الرسم باستخدام أحد برنامج CAD. يعد نظام GD&T مفيداً للإشارة إلى كيفية تناسب الأجزاء معاً ووفقاً لوظيفتها، وهي طريقة دقيقة مرضية لوصف الأبعاد والتفاوتات والسمت ، كما انها طريقة متقدمة مختلفة عن قياس الإحداثيات التقليدي زائد أو ناقص التفاوت. ولذلك، في حالة استيعاب وفهم معيار نظام GD&T يسمح للمهندسين بالتواصل فيما بينهم ومع شركاء التصنيع والمفتشين والآخرين في أي مكان في العالم باسلوب يليق بعصر الأتمتة وما بعدها.
لذلك يمكن القول: منذ خمسينيات القرن الماضي حتى عشرينيات القرن الحالي، كانت هناك ممارسات حثيثة للإشارة إلى أهمية وضع نظام لسمات الهندسية على الرسومات الهندسية، لكن لم تتحقق وكانت بعيده عن الكمال. ولم تتم آن ذاك الإشارة إليها بطريقة موحدة، فقد كان ذلك يختلق الكثير من الغموض والارتباك بسبب التفسيرات الفردية، بين الشركاء من المصممين والمنتجين والمفتشين والعملاء. حتى نحن الأكاديميين، لم نهتم سابقاً بالإشارة إلى السمات الهندسية بالرغم من أنها جانباً رئيساً لمهندسي التصميم والإنتاج. بينما، مع زيادة الإعتماد على تكنولوجيا الحاسب الآلي والبرمجيات في صناعات التحول الرقمي ومع الثورة الصناعية الرابعة (IR4.0: Automation)، أصبح وجود ضرورة لمزيد من الوضوح في التصميم بإعتبارة أمراً بالغ الأهمية في التصنيع، جودة الإنتاج والتشغيل، خصوصاً في صناعات الميكانيكية وأنظمة الميكاترونيات كالروبوتات والطائرات والسيارات… إلخ. وكذلك تمهيداً وإستعداداً للثورة الصناعية الخامسة القادمة قريباً التي ستتميز بإندماج ذكاء الإنسان مع الذكاء الإصطناعي للآلات (IR5.0).
ومن هنا، يكتسب نظام GD&T أو سمات أبعاد الشكل الهندسي والتسامح أهمية قصوى. فعندما كان يتم تصنيع مكون هندسي، بعد التصور والرسم المبسط، يقوم المصمم بإنشاء رسم ميكانيكي ويحدد الأبعاد بدقة. وبناءاً عليه، يتم إنشاء المنتج على أرضية المصنع. مثال بسيط لسيارة، يوجد داخل محركها أجزاء دوارة منها المكابس في الأسطوانات وعمود الكرنك والكامات، …إلخ. قد تأتي هذه المكونات من بائعين مختلفين. يمكن لأي شخص يعمل في التجميع أن يلتقط أي مكبس وأي أسطوانة من المجموعة المتوفرة ويلائمهما معاً. بينما الآن، يجب أن تتناسب كل هذه الأجزاء بالتوافق بشكل صحيح مع بعضها البعض بنظام موحد. بالإضافة إلى الإعداد المناسب، تضع الشركة المصنعة في الاعتبار معايير الأداء الوظيفية للمحرك مثلاً (على سبيل المثال) سيارة سعتها اللترية حوالي 1300 cm3 تستهاك حوالي 5 Litters/100 km يعتمد هذا الأداء الوظيفي على عوامل مختلفة مثل الأبعاد الهندسية والمواد المكونة، ليس فقط، بل بالإضافة الى سمات الشكل الهندسي للأجزاء المجمعة معاً مثل الإستقامة والإستدارة لأسطح التلامس لضمان الحركة السلسة والحد الأقصى لخفض معامل الاحتكاك، وما إلى ذلك. فيهتم نظامGD&T بكل هذه الأمور بشكل مباشر أو حتى غير مباشر.
فوائد نظام GD&T: لذلك يمكن القول أن ممارسات هذا النظام في الرسم الميكانيكي والتصميم الهندسي وتكنولوجيا الانتاج حتى التصنيع تكتسب أهمية عظمي في تجميع الأجزاء وعلاقتها معاً لما له من فوائد عديدة من أهمها التالي:
1. فهم أكثر دقة ووضوح: مواصفات نظام GD&T يُكون صورة أكثر دقة ووضوحاً مقارنة بالممارسات السابقة. حيث تساعد الرموز ومؤشرات السمات الهندسية مثل وصف المنطقة أو الأسطح المتلامسة ومعدل حالة المادة وما إلى ذلك على تحقيق الدقة المستهدفة.
2. التواصل الواضح والموحد من خلال إزالة الغموض: تعمل مواصفات نظام GD&T على إزالة الغموض في التفسيرات الفنية لحركة الأجزاء، لأنه ينشئ اتصالاً واضحاً بين المصممين والمنتجين والمفتشين في المصانع وحتى مع متخذي القرار والمستخدمين.
3. مساعدة مهندس الإنتاج: تساعد مواصفات GD&T مهندس الإنتاج على تخطيط عمليته بالطريقة الأكثر ملائمة. حيث يشير إطار التحكم في رموز السمات والتفاصيل ذات الصلة بمكان وكيفية الاحتفاظ بالمكون أثناء إجراء العملية.
4. مساعدة مهندس الأدوات: تساعد GD&T مهندس الأدوات على تصميم وتصنيع أدوات الإنتاج الأكثر ملائمة من خلال تحديد المراجع الأولية والثانوية والثالثة. يؤدي تحديد هذه المراجع إلى إنشاء إرشادات مناسبة لتحديد موقع أحد مكونات عملية التصنيع وتثبيته.
5. تسهيل الفحص والجودة: تساعد مرجعيات الإسناد أو المراجع الأولية والثانوية والثالثية المفتشين أيضاً في الحصول على الكثير من الإرشادات لاختبار المكونات. يمكن تصميم أجهزة قياس خاصة بسهولة بناءاً على السمات الهندسية مثل التركيز وتحديد المواقع وما إلى ذلك لإجراء فحص مجمع للمكونات. حيث توفر هذه المقاييس الكثير من وقت فحص الجودة ومن ثم خفض التكلفة.
6. التسامح الإضافي لتقليل الخسارة: توفر مواصفات GD&T تسامحاً إضافياً مخفياً في بعض الحالات. يختلف هذا التسامح الإضافي من مكون إلى آخر. مع هذا التسامح الإضافي المتوفر، هناك احتمال أن يتم منح المكونات التي على وشك الرفض (بسبب تجاوز حدود التسامح الهندسي المسموح بها) فرصة ثانية للقبول دون أي إعادة صياغة أو فقدان الوظيفة.
7. التشغيل السلس لمنظومة الإنتاج بأكملها: مع المزيد من الوضوح والدقة، يزيل GD&T الغموض والتفسيرات الخاطئة. ومن ثم تصبح الإنتاج والتفتيش والتجميع سلسة بأكملها وكذلك السلاسة في عمليات التشغيل.
8. سهولة الاستعانة بمصادر خارجية: مع العولمة، أصبح الاستعانة بمصادر خارجية أحد المحركات الرئيسية لخفض التكلفة مع رفع الجودة. حيث تسهل GD&T الاستعانة بمصادر خارجية للتصنيع للعديد من التجار والبائعين في جميع أنحاء العالم دون المساومة على الجودة.
9. التوحيد القياسي: لكون نظامGD&T لغة موحدة للتواصل بين الفرق المختلفة، لذا تتجنب GD&T التخمين والتفسير.
10. الاستعداد للترقي الرقمي: مع تطور أجهزة الكمبيوتر والبرمجيات، تستخدم معظم شركات التصنيع البرمجيات لإنشاء الرسومات الهندسية. حيث يمكن دمج بيانات GD&T بسهولة مع ملفات وأدوات CAD ثنائية وثلاثية الأبعاد.
11. خفض التكلفة: يعمل نظام GD&T في الرسم والتصميم على تعزيز الدقة من خلال السماح بالتفاوتات المناسبة مع سمات الشكل الهندسي التي بدورها تساعد في زيادة الإنتاج وجودته مما تقليل من حالات الرفض، ومن ثم خفض تكلفة المنتج.
فوائد تعلم GD&T بالطريقة الصحيحة: كما رأينا بعاليه، لعلك تتفق معي عزيزي المهندس، حيث لم تكن الإشارة إلى سمات الشكل الهندسي قبل 50 عاماً أمراً جدياً. ولم تكن في الأساس موضوعاً للمناقشة، إلا بين قليل من أهل الصناعة والأكاديمين كالباحثين من مهندسي القياس والمعايرة في مجال الأبعاد والسطوح الهندسية حول العالم. لكن اليوم الوضع أصبح مختلف تماماً، حيث تتبنى كل الصناعات المتقدمة بما فيها صناعة السيارات والطائرات والروبوتات والآلات والمعدات الثقيلة وما إلى ذلك أهمية لممارسات نظامGD&T لتحقيق فوائده الواضحة والمتعددة، بل ولضرورة تحقيق دقة وإتقان في الأعمال الهندسية المتقدمة لتوافق متطلبات العصر. لذا يطيب لي أولاً أن أوجه رسالتي هذه إلى السادة الزملاء الأعزاء أساتذة المترولوجيا والقياسات الهندسية بكليات الهندسة والتعليم التكنولوجي والفني وخبراء الهيئة القومية لضمان جودة التعليم والإعتماد (NAQAA) ضرورة وضع أهمية لإدراج نظام GD&T في البرامج الدراسية ذات العلاقة لطلاب الهندسة والتكنولوجيا والتحقق من تفعيلها. أما بشان أبنائنا شباب المهندسين أقول: أنني لا أتصور أنه لا يمكن إكمال مقابلة مهندس التصميم أو انتاج السيارات أو الروبوتات أوأنظمة الميكاترونيات الآن دون طرح أسئلة حول نظام GD&T. الحقيقة انه منذ سنوات يفكر العلماء في نشر هذا النظام عبر البرامج الدراسية الجديدة أوالمستحدثة، والحمد لله قد تحقق في العشر سنوات الأخيرة وقد أدرجنا نظام GD&T ضمن مقررات برامجنا الدراسية الجديدة ذات الصلة كالرسم الميكانيكي، تصميم الماكينات، المترولوجيا والقياسات الهندسية، هندسة الإتقان لثقل مهارات طلاب الهندسة في الجامعات والمعاهد الهندسية المصرية. لذا نوصي بضرورة مراعاة ذلك قبل إعتماد باقي البرامج الدراسية الجديدة لطلاب الهندسة والتكنولوجيا للتأكد من تضمنها نظام GD&T. كما أن تعلم نظرية ورموز نظام GD&T في العالم الإفتراضي ليس كافياً. فإذا كنت تريد أن تصبح مهندس تصميم أو انتاج ناجح، فأنت بحاجة إلى أساس متين لفهم معمق لنظامGD&T ومعرفة كيفية تطبيقه لحل مشاكل العالم الحقيقي. ليس بتعلم المفاهيم فحسب، بل لتوضيح أيضاً الإلتباسات التي كانت لديك أثناء تعلمها لأول مرة في منهج التخرج الخاص بك، ان كنت خريج من قبل 10 اعوام. حيث، يمكنك استيعاب المفاهيم بعمق من خلال تطبيق ما تعلمته على حل مشاكل التصميم في العالم الحقيقي. لا يقتصر الأمر على تطوير مهارات التصميم الجيدة فحسب، بل يمكنك أيضاً تعديل التصميم الحالي لجعله أفضل. والصناعة تبحث عن مثل هذه المهارات. ختاماً نصيحتي لأبنائي المهندسين وخصوصاً خريجي برامج هندسة الأوتوترونيكس، الميكاترونيكس والروبوتات، الطيران، السيارات، التصميم والإنتاج، أوصيك بقرأة بعض المراجع العلمية الحديثة المتاحة والتي أعدت بدقة وإتقان فائق من أجلك أنت عزيزي المهندس: