التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) والتصنيع بمساعدة الكمبيوتر (CAM)
يتضمن التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) إنشاء نماذج كمبيوتر محددة بواسطة معلمات هندسية. تظهر هذه النماذج عادةً على شاشة الكمبيوتر كتمثيل ثلاثي الأبعاد لجزء أو نظام من الأجزاء ، والتي يمكن تغييرها بسهولة عن طريق تغيير المعلمات ذات الصلة. تمكّن أنظمة CAD المصممين من عرض الكائنات في ظل مجموعة متنوعة من التمثيلات واختبار هذه الكائنات من خلال محاكاة ظروف العالم الحقيقي.
يستخدم التصنيع بمساعدة الكمبيوتر (CAM) بيانات التصميم الهندسي للتحكم في الآلات الآلية. ترتبط أنظمة CAM بالتحكم العددي بالكمبيوتر (CNC) أو أنظمة التحكم العددي المباشر (DNC). تختلف هذه الأنظمة عن الأشكال القديمة للتحكم العددي (NC) في تلك البيانات الهندسية التي يتم ترميزها ميكانيكيًا. نظرًا لأن كلاً من CAD و CAM يستخدمان طرقًا قائمة على الكمبيوتر لتشفير البيانات الهندسية ، فمن الممكن أن تكون عمليات التصميم والتصنيع متكاملة للغاية. يشار عادةً إلى أنظمة التصميم والتصنيع بمساعدة الكمبيوتر باسم CAD / CAM.
أصول CAD / CAM
نشأت CAD في ثلاثة مصادر منفصلة ، والتي تعمل أيضًا على إبراز العمليات الأساسية التي توفرها أنظمة CAD. نتج المصدر الأول لـ CAD من محاولات أتمتة عملية الصياغة. كانت مختبرات أبحاث جنرال موتورز رائدة في هذه التطورات في أوائل الستينيات. تتمثل إحدى مزايا توفير الوقت المهمة لنمذجة الكمبيوتر على طرق الصياغة التقليدية في أنه يمكن تصحيح الأولى بسرعة أو التلاعب بها عن طريق تغيير معلمات النموذج. كان المصدر الثاني لـ CAD في اختبار التصاميم عن طريق المحاكاة. كان استخدام النمذجة الحاسوبية لاختبار المنتجات رائدًا في الصناعات عالية التقنية مثل الفضاء وأشباه الموصلات. نتج المصدر الثالث لتطوير CAD من الجهود المبذولة لتسهيل التدفق من عملية التصميم إلى عملية التصنيع باستخدام تقنيات التحكم العددي (NC) ، والتي تمتعت باستخدامها على نطاق واسع في العديد من التطبيقات بحلول منتصف الستينيات. كان هذا المصدر هو الذي أدى إلى الارتباط بين CAD و CAM. أحد أهم الاتجاهات في تقنيات CAD / CAM هو التكامل الأكثر إحكامًا بين مراحل التصميم والتصنيع لعمليات الإنتاج القائمة على CAD / CAM.
مكالمة إيقاظ: الالتزام سيهزم المواهب دائمًا
لقد تغلب تطوير CAD و CAM وخاصة الارتباط بين الاثنين على أوجه القصور التقليدية في NC من حيث التكلفة وسهولة الاستخدام والسرعة من خلال تمكين تصميم وتصنيع جزء يتم تنفيذه باستخدام نفس نظام تشفير البيانات الهندسية. أدى هذا الابتكار إلى تقصير الفترة بين التصميم والتصنيع إلى حد كبير ووسع نطاق عمليات الإنتاج التي يمكن استخدام الآلات الآلية فيها اقتصاديًا. بنفس القدر من الأهمية ، أعطى CAD / CAM المصمم قدرًا أكبر من التحكم المباشر في عملية الإنتاج ، وخلق إمكانية عمليات تصميم وتصنيع متكاملة تمامًا.
أصبح النمو السريع في استخدام تقنيات CAD / CAM بعد أوائل السبعينيات ممكنًا من خلال تطوير رقائق السيليكون ذات الإنتاج الضخم والمعالجات الدقيقة ، مما أدى إلى توفير أجهزة كمبيوتر ميسورة التكلفة. مع استمرار انخفاض أسعار أجهزة الكمبيوتر وتحسن قوة المعالجة الخاصة بها ، توسع استخدام CAD / CAM من الشركات الكبيرة التي تستخدم تقنيات الإنتاج الضخم على نطاق واسع إلى الشركات من جميع الأحجام. تم توسيع نطاق العمليات التي تم تطبيق CAD / CAM عليها أيضًا. بالإضافة إلى تشكيل الأجزاء من خلال عمليات الأدوات الآلية التقليدية مثل الختم ، والحفر ، والطحن ، والطحن ، فقد تم استخدام CAD / CAM من قبل الشركات المشاركة في إنتاج الإلكترونيات الاستهلاكية ، والمكونات الإلكترونية ، والبلاستيك المقولب ، ومجموعة من المنتجات الأخرى . تُستخدم أجهزة الكمبيوتر أيضًا للتحكم في عدد من عمليات التصنيع (مثل المعالجة الكيميائية) التي لم يتم تعريفها بدقة على أنها CAM لأن بيانات التحكم لا تستند إلى معلمات هندسية.
باستخدام CAD ، من الممكن محاكاة حركة جزء ما في ثلاثة أبعاد من خلال عملية الإنتاج. يمكن أن تحاكي هذه العملية معدلات التغذية وزوايا وسرعات الأدوات الآلية ، وموضع مشابك تثبيت الأجزاء ، بالإضافة إلى النطاق والقيود الأخرى التي تحد من عمليات الآلة. يعد التطوير المستمر لمحاكاة عمليات التصنيع المختلفة أحد الوسائل الرئيسية التي يتم من خلالها تكامل أنظمة CAD و CAM بشكل متزايد. تعمل أنظمة CAD / CAM أيضًا على تسهيل الاتصال بين المشاركين في التصميم والتصنيع والعمليات الأخرى. هذا له أهمية خاصة عندما تتعاقد شركة مع أخرى إما لتصميم أو إنتاج مكون.
المميزات والعيوب
تقدم النمذجة باستخدام أنظمة CAD عددًا من المزايا مقارنة بأساليب الصياغة التقليدية التي تستخدم المساطر والمربعات والبوصلة. على سبيل المثال ، يمكن تغيير التصميمات دون محو وإعادة رسم. تقدم أنظمة CAD أيضًا ميزات “تكبير / تصغير” مماثلة لعدسة الكاميرا ، حيث يمكن للمصمم تكبير عناصر معينة من النموذج لتسهيل الفحص. عادة ما يتم عرض نماذج الكمبيوتر
أبعاد ويمكن تدويرها على أي محور ، بقدر ما يمكن للمرء أن يدور نموذجًا ثلاثي الأبعاد فعليًا في يده ، مما يتيح للمصمم اكتساب إحساس كامل بالكائن. تتناسب أنظمة CAD أيضًا مع رسومات النمذجة المقطوعة ، والتي يتم فيها الكشف عن الشكل الداخلي للجزء ، وتوضيح العلاقات المكانية بين نظام الأجزاء.
لفهم CAD ، من المفيد أيضًا فهم ما لا يستطيع CAD فعله. لا تمتلك أنظمة CAD أي وسيلة لفهم مفاهيم العالم الحقيقي ، مثل طبيعة الكائن الذي يتم تصميمه أو الوظيفة التي سيخدمها الكائن. تعمل أنظمة CAD من خلال قدرتها على تدوين المفاهيم الهندسية. وبالتالي فإن عملية التصميم باستخدام CAD تتضمن تحويل فكرة المصمم إلى نموذج هندسي رسمي. لم تنجح الجهود المبذولة لتطوير “الذكاء الاصطناعي” (AI) القائم على الكمبيوتر في اختراق ما وراء الميكانيكية — المتمثلة في النمذجة الهندسية (القائمة على القواعد).
يتم معالجة القيود الأخرى على CAD من خلال البحث والتطوير في مجال الأنظمة الخبيرة. هذا المجال مشتق من البحث الذي تم إجراؤه في الذكاء الاصطناعي. يتضمن أحد الأمثلة على نظام خبير دمج معلومات حول طبيعة المواد – وزنها وقوة شدها ومرونتها وما إلى ذلك – في برنامج CAD. من خلال تضمين هذه المعلومات وغيرها ، يمكن لنظام CAD “معرفة” ما يعرفه المهندس الخبير عندما يقوم هذا المهندس بإنشاء تصميم. يمكن للنظام بعد ذلك محاكاة نمط تفكير المهندس و “إنشاء” المزيد من التصميم في الواقع. قد تتضمن الأنظمة الخبيرة تنفيذ المزيد من المبادئ المجردة ، مثل طبيعة الجاذبية والاحتكاك ، أو وظيفة وعلاقة الأجزاء الشائعة الاستخدام ، مثل الرافعات أو الصواميل والمسامير. قد تأتي الأنظمة الخبيرة أيضًا لتغيير طريقة تخزين البيانات واسترجاعها في أنظمة CAD / CAM ، لتحل محل النظام الهرمي بنظام يوفر مرونة أكبر. ومع ذلك ، فإن مثل هذه المفاهيم المستقبلية تعتمد بشكل كبير على قدراتنا في تحليل عمليات اتخاذ القرار البشري وترجمتها إلى معادلات ميكانيكية إن أمكن.
أحد المجالات الرئيسية للتطوير في تقنيات CAD هو محاكاة الأداء. من بين أكثر أنواع المحاكاة شيوعًا اختبار الاستجابة للإجهاد ونمذجة العملية التي يمكن من خلالها تصنيع جزء أو العلاقات الديناميكية بين نظام الأجزاء. في اختبارات الإجهاد ، يتم عرض أسطح النموذج بواسطة شبكة أو شبكة ، والتي تتشوه عندما يتعرض الجزء لضغط فيزيائي أو حراري محاكى. تعمل اختبارات الديناميكيات كمكمل أو بديل لبناء نماذج عمل أولية. تسهل السهولة التي يمكن من خلالها تغيير مواصفات الجزء تطوير الكفاءات الديناميكية المثلى ، سواء فيما يتعلق بتشغيل نظام الأجزاء وتصنيع أي جزء معين. تُستخدم المحاكاة أيضًا في أتمتة التصميم الإلكتروني ، حيث يتيح التدفق المحاكي للتيار عبر الدائرة إجراء اختبار سريع لتكوينات المكونات المختلفة.
عمليات التصميم والتصنيع قابلة للفصل من الناحية المفاهيمية. ومع ذلك ، يجب إجراء عملية التصميم مع فهم طبيعة عملية الإنتاج. من الضروري ، على سبيل المثال ، أن يعرف المصمم خصائص المواد التي يمكن أن يُبنى بها الجزء ، والتقنيات المختلفة التي يمكن من خلالها تشكيل الجزء ، وحجم الإنتاج القابل للتطبيق اقتصاديًا. يشير التداخل المفاهيمي بين التصميم والتصنيع إلى الفوائد المحتملة لـ CAD و CAM والسبب في اعتبارهما معًا كنظام.
التطورات التقنية الأخيرة أثرت بشكل أساسي على فائدة أنظمة CAD / CAM. على سبيل المثال ، أعطتها قوة المعالجة المتزايدة لأجهزة الكمبيوتر الشخصية قابلية للتطبيق كوسيلة لتطبيق CAD / CAM. هناك اتجاه مهم آخر يتمثل في إنشاء معيار CAD-CAM واحد ، بحيث يمكن تبادل حزم البيانات المختلفة دون تأخير في التصنيع والتسليم ، ومراجعات التصميم غير الضرورية ، والمشاكل الأخرى التي لا تزال تعيق بعض مبادرات CAD-CAM. أخيرًا ، يستمر برنامج CAD-CAM في التطور في مجالات مثل التمثيل المرئي وتكامل تطبيقات النمذجة والاختبار.
قضية CAS و CAS / CAM
التطوير الموازي من الناحية المفاهيمية والوظيفية لـ CAD / CAM هو CAS أو CASE ، هندسة البرمجيات بمساعدة الكمبيوتر. كما تم تعريفه بواسطة SearchSMB.com في مقالته عن “CASE” ، فإن “CASE ‘¦ هو استخدام طريقة بمساعدة الكمبيوتر لتنظيم تطوير البرامج والتحكم فيها ، خاصة في المشروعات الكبيرة والمعقدة التي تتضمن العديد من مكونات البرامج والأشخاص.” يعود تاريخ CASE إلى السبعينيات عندما بدأت شركات الكمبيوتر في تطبيق مفاهيم من تجربة CAD / CAM لإدخال المزيد من الانضباط في عملية تطوير البرمجيات.
اختصار آخر مستوحى من الوجود الشامل لـ CAD / CAM في قطاع التصنيع هو CAS / CAM. تشير هذه العبارة إلى برنامج البيع بمساعدة الكمبيوتر / التسويق بمساعدة الكمبيوتر. في حالة CASE وكذلك CAS / CAM ، جوهر هذه التقنيات هو تكامل تدفقات العمل وتطبيق القواعد المثبتة لعملية التكرار.
