تاريخچه Cad/Cam

Cad/Cam شامل دو بخش جداگانه با نام هاي ذيل مي باشد:
۱ـ طراحي به كمك كامپيوتر
۲ـ توليد به كمك كامپيوتر
اين دو بخش در طي ۳۰ سال گذشته به طور مستقل رشد كرده اند و هم اكنون هر دوي آنها با هم تحت عنوان سيستم هاي Cad/Cam يكپارچه شده اند. معناي يكپارچگي اين است كه كليه عمليات طراحي و توليد مي تواند در يك سيستم واحد مورد نظارت و كنترل قرارگيرد.
طراحي به كمك كامپيوتر اساساً بر يك تكنيك متنوع و قدرتمند به نام گرافيك كامپيوتري استوار است. گرافيك كامپيوتري عبارت است از ايجاد و دستكاري اشكال بر روي يك دستگاه نمايش به كمك كامپيوتر. گرافيك كامپيوتري در سال ۱۹۵۰ در دانشگاه ام.آي.تي آمريكا پايه ريزي شد و اولين تصاوير ساده بر روي كامپيوتر «ويرل ويند۱» نمايش داده شد.
با ظهور سخت افزار پيشرفته كه حافظه و سرعت آن بالا و ارزان نيز بود، نرم افزارهاي جديدتري نيز در زمينه گرافيك بوجود آمدند. نتيجه چنين تحولي، كاربرد روز افزون Cad در صنعت بود. در آغاز، سيستم هاي Cad به صورت ايستگاه هاي نقشه كشي خودكاري بودند كه در آن رسام هاي تحت كنترل كامپيوتر نقشه هاي مهندسي را توليد مي نمودند. امروزه سيستم هاي Cad مي توانند به مراتب بيشتر از نقشه كشي عادي كار انجام دهند. برخي از سيستم ها داراي قابليت هاي تحليلي نيز هستند. براي نمونه نرم افزارهايي از Cad وجود دارند كه با روش المان محدود مي توانند قطعات را از نظر مسائل تنش، حرارت و مسائل مكانيكي مورد تجزيه و تحليل قرار دهند. همچنين نرم افزارهايي از Cad وجود دارند كه مي توانند حركت قطعات را نيز مورد مطالعه قرار دهند.
توليد به كمك كامپيوتر اساساً با ظهور كنترل عددي يا NC مطرح شد. در اواخر دهه۴۰ فردي به نام جان پارسونز روشي خاص براي كنترل يك ماشين ابزار ابداع كرد. در روش او كارت هاي سوراخ شده به كار برده شده بود تا اطلاعات مختصاتي حركت ماشين با آن ارائه گردد. در اين حالت، امكان انجام ماشين كاري روي سطوح مورد نظر توسط ماشين ميسر مي شد. با مشخص شدن مقادير عددي براي حركت محور ماشين ابزار، تحولي در حركت مكاني ماشين ابزار ايجاد شد. اولين نمونه ماشين NC در سال ۱۹۵۲ ساخته شد تا بتواند توانايي هاي آن را بيان كند. سپس، سازندگان ابزار و صنايع توليدي متحداً ماشين هاي NC جديدي متناسب با نيازهايشان ساختند.
در اواخر دهه ۵۰ كامپيوترها در دسترس بودند و مسلم شده بود كه آنها مي توانند مقادير عددي مورد لزوم ماشين هاي كنترل عددي را توليد نمايند.
در اين مرحله، نيروي هوايي آمريكا با پرداخت مبالغ زيادي به دانشگاه ام.آي.تي خواستار طراحي يك برنامه نويسي قطعه شد كه بتواند براي تعريف حركات هندسي ابزار، در ماشينهاي كنترل عددي به كار گرفته شود. نتيجه اين كار پيدايش زبان APT شد كه امروز بعنوان زبان استاندارد ماشين NC شناخته شده است.
چرخه محصول و Cad/Cam
براي اينكه قلمرو Cad/Cam در عمليات يك شركت توليدي درك گردد، لازم است فعاليتها و عملكردهاي گوناگوني كه بايد در طراحي و ساخت يك محصول انجام گيرد، مورد بررسي قرار گيرند.

چرخه مذكور از مشتريان و بازارهايي كه متقاضي محصول هستند، شروع مي گردد. اگر مشتريان و بازارها به عنوان مجموعه بزرگي از صنايع و بازارهاي مصرفي تلقي گردند، واقعي تر از تلقي آن به عنوان يك بازار انحصاري است. با توجه به گروه خاص مشتريان، تفاوت هايي در روش فعال كردن چرخه محصول وجود خواهد داشت. در برخي موارد وظايف طراحي توسط مشتري صورت پذيرفته و توليد نيز توسط يك شركت ديگر انجام مي گيرد. در برخي موارد ديگر، طراحي و توليد توسط يك شركت صورت مي گيرد. مورد هرچه كه باشد، چرخه محصول با يك مفهوم با يك ايده محصول شروع مي شود. اين مفهوم پرورانده مي شود، پالايش مي يابد، تجزيه و تحليل مي گردد، بهبود مي يابد و در طي فرآيند مهندسي طراحي به يك نقشه براي توليد ترجمه مي گردد. نقشه مذكور توسط ترسيم مجموعه اي از نقشه هاي مهندسي كه چگونگي توليد را نشان مي دهد، مستند سازي مي شود. اين مستندات
مجموعه اي از مشخصات را نشان مي دهد كه چگونگي انجام توليد را بيان مي كنند.
فعاليت هاي مهم بعدي ساخت محصول است. يك «برنامه فرآيند ساخت» توالي يا ترتيب عمليات مورد نياز براي ساخت محصول را مشخص مي كند. برخي اوقات تجهيزات و ابزار جديدي لازم است تا محصول جديد ساخته شود. گام«زمانبندي» زمان طراحي محصول و تكميل توليد را ارائه مي دهد و شركت را متعهد مي سازد تا مقادير مشخصي از محصول را در زمان هاي مشخصي توليد كند.
وقتي تمام اين طرح تدوين شد، محصول توليد مي شود و به دنبال آن آزمايش كيفيت بر روي آن صورت مي پذيرد و به مشتري تحويل داده مي شود. تأثير Cad/Cam در تمام فعاليتهاي گوناگون چرخه محصول آشكار است.
مزاياي Cad/Cam
1 Cad مي تواند تعداد مراحل لازم در فرآيند طراحي يك محصول را به طور فاحشي كاهش دهد و هر مرحله از طراحي را براي طراح محصول بسيار آسان سازد. در نتيجه، خروجي كاري طراح زياد شده و از شروع ايده اوليه محصول تا آماده شدن طرح آن، زمان بسياري صرفه جويي مي گردد.
۲ Cad موجب مي شود تا يك طرح به طور صحيح ارائه گردد و ابزارهاي گسترده اي براي طراح آماده گردد تا طرح را به طور گرافيكي متناسب با نقطه نظرات ذهني اش دستكاري نمايد. با اين انعطاف پذيري در دستكاري نقشه يك طرح، طراح به راحتي مي تواند نگرش عميقي بر روي مسائل پيچيده ناشي از طرح داشته باشد. اين امر موجب مي شود كه طراح تصميمات بهتري اتخاذ كند و به سوي واقعيت هاي مورد نظر در ايده نزديكتر شود و احتمال خطا كم گردد.
۳ Cam مي تواند از طرق گوناگون بهره وري كارگاه را شديداً افزايش دهد. Cam مي تواند برنامه هاي NC را به طور خودكار توليد كند؛ بگونه اي كه خطايي در آن نباشد.
۴ با Cam ، زمان بندي قطعات كار و ابزارها در طول ايستگاه هاي توليد ساده تر صورت مي پذيرد.
كاربرد Cad/Cam
گرافيك كامپيوتري محاوره اي كه نوعي ارتباط متقابل انسان و كامپيوتر در ترسيم خواستگاه هاي مهندسي روي صفحه تصوير است و در واقع اساس كار سيستم هاي Cad مي باشد، بطور گسترده اي در بسياري از زمينه هاي گوناگون علوم و تكنولوژي به كار گرفته شده است. مخصوصاً وقتي شرح يك ايده يا طرح علمي مطرح است، «نقشه هايي» كه با گرافيك كامپيوتري ترسيم شده اند، اهميت حياتي پيدا مي كنند برخي كاربردهاي گرافيك كامپيوتري را مي توان در قالب هاي ذيل طبقه بندي كرد:
– مطالعه ساختارهاي مولكولي در شيمي
– تحقيقات پزشكي
– انيميشن
– شبيه سازي پرواز هواپيما
– طراحي ساختاري در هواپيما
– صنايع كشتي و اتومبيل سازي
– طراحي مدارهاي مجتمع و تخته مدارهاي چاپي در صنعت الكترونيك
– برنامه ريزي شهري و طراحي معماري
– مسيردهي و تهيه جانماي لوله ها در طراحي كارخانه شيميايي
– آماده سازي اطلاعات مش بندي شده، براي تجزيه و تحليل و ترسيم المانهاي محدود.
پياده سازي يك سيستم Cad
دلايل عديده اي براي پياده سازي يك سيستم طراحي به كمك كامپيوتر در جوار توانمنديهاي بشري وجود دارد كه اهم آنها عبارتند از:
۱٫ افزودن بهره وري طراح: اين بهره وري از طريق كمك كردن به طراح براي تصور محصول و قطعات زير مجموعه آن و كم كردن زمان تركيب، تجزيه و تحليل و مستندسازي طرح صورت مي پذيرد.
۲٫ بهبود كيفيت طرح: يك سيستم Cad تجزيه و تحليل مهندسي بهتري را ممكن مي سازد و تعداد شق ها و تنوعات طرح را بيشتر ميكند. علاوه بر آن ، خطاهاي طراحي نيز در طول كار كاهش مي يابد. اين عوامل موجب به وجود آمدن طرح بهتري از ديد صحت و دقت مي گردد.
۳٫ بهبود ارتباطات: استفاده از سيستم Cad نقشه كشي مهندسي، استاندارد سازي در نقشه ها، مستند سازي بهتر طرح، خطاهاي اندك ترسيم و خوانايي را به ارمغان دارد.
۴٫ ايجاد بانك اطلاعاتي براي توليد: در فرآيند ايجاد مستندات طرح محصول كه شامل هندسه و ابعاد طرح و مؤلفه هاي آن، مشخصات مواد براي مؤلفه ها، ليست مواد، و غيره است، اكثر اطلاعات مورد نياز براي توليد محصول نيز ايجاد مي گردد.
فرآيند طراحي
فرآيند طراحي محصول عملي تكراري مي باشد، و داراي شش مرحله زير است:
۱٫ تشخيص نياز
۲٫ تعريف مسئله
۳٫ تركيب
۴٫ تجزيه و تحليل و بهينه سازي
۵٫ ارزيابي
۶٫ ارائه
با ارائه تصويري مختصر، به شرح ذيل مي توان نقش و عملكرد هر يك از اين مراحل شش گانه را بيان كرد:
وقتي فردي درك كند كه مسئله يا مشكلي وجود دارد و بايد اقدام درستي براي حل آن اتخاذ گردد، «تشخيص نياز» صورت گرفته است. مثلاً وقتي فروشنده اي به اين درك رسيد كه محصول جديد بايد به بازار عرضه گردد، نياز تشخيص داده شده است.
«تعريف مسئله» مستلزم تعريف مشخصه كامل محصولي است كه بايد طراحي گردد. اين مشخصه شامل ويژگي هاي فيزيكي، عملكردي، هزينه، كيفيت، و كارايي عملياتي است.
«تركيب» و «تجزيه و تحليل» بسيار به همديگر مربوط بوده و شديداً در فرآيند طراحي تكراري هستند. مؤلفه يا زير سيستمي از كل يك سيستم توسط طراح تصور مي شود، تجزيه و تحليل مي گردد و در اين تجزيه و تحليل بهبود مي يابد و مجدداً طراحي مي شود. اين فرآيند تا بهينه شدن طرح با توجه به محدوديت هاي موجود براي طراح تكرار مي شود. مؤلفه ها و زير سيستم ها درون سيستم نهايي با روش مشابه و تكراري تركيب مي شوند.
«ارزيابي» مربوط است به اندازه گيري طرح با توجه به مشخصه هاي ايجاد شده در مرحله تعريف مسئله.
آخرين مرحله فرآيند طراحي، «ارائه طرح» است. اين مرحله شامل مستند سازي طرح با ابزارهايي چون نقشه ها، مشخصه هاي مواد، ليست هاي مجموعه و غيره است. اساساًَ مستند سازي نيازمند ايجاد يك پايگاه اطلاعاتي طرح است.

كاربرد كامپيوترها براي طراحي
كارهاي گوناگون طراحي را كه به وسيله يك سيستم مدرن طراحي به كمك كامپيوتر انجام مي گيرند، مي توان به چهار زمينه عملياتي زير گروه بندي نمود:
۱٫ مدلسازي هندسي
۲٫ تجزيه و تحليل مهندسي
۳٫ مرور و ارزيابي طرح
۴٫ نقشه كشي خودكار
زمينه هاي چهارگانه اشاره شده در فوق دربرگيرنده چهار فاز نهايي فرآيند طراحي اند.

كاربرد كامپيوترها در فرآيند طراحي
مدلسازي هندسي را مي توان در ارتباط با مراحل تركيب دانست كه در آن پروژه طراحي فيزيكي بر روي سيستم گرافيك كامپيوتري شكل مي گيرد. تجزيه و تحليل مهندسي مربوط است به مرحله چهارم يا تجزيه و تحليل و بهينه سازي طرح. مرور و ارزيابي طرح، پنجمين مرحله در رويه عمومي طراحي است. ترسيم خودكار شامل رويه اي است براي تبديل اطلاعات تصويري طرح موجود در حافظه كامپيوتر به يك نوشته كتبي. اين مرحله روش مهمي را براي ارائه طرح يا مرحله ششم نشان مي دهد.
در زير به تشريح عملكردهاي چهارگانه فرآيند طراحي توسط كامپيوتر مي پردازيم
مدلسازي هندسي
در طراحي به كمك كامپيوتر، فرآيند مدلسازي هندسي در برگيرنده شرح رياضي و هندسي قطعه مورد طراحي است؛ به گونه أي كه كامپيوتر بتواند آن را درك كند. اين شرح رياضي اجازه مي دهد كه تصوير قطعه كار بر روي يك ترمينال گرافيكي نمايش داده شده و دستكاري گردد. نرم افزاري كه قابليت هاي مدل سازي سه بعدي را فراهم مي آورد بايد به گونه أي طراحي شده باشد كه كامپيوتر و طراح بتوانند با هم ارتباط متقابل و خوبي داشته باشند.
براي به كارگيري مدلسازي سه بعدي، طراح تصوير گرافيكي قطعه را روي صفحه نمايش سيستم Cad با بهره گيري از سه نوع فرمان مختلف ايجاد مي كند. اولين نوع فرمان، اجزاي بنيادي هندسي مانند نقاط، خطوط و دواير را توليد مي كند. دومين نوع فرمان، براي انجام اندازه گذاري، دوران، يا تبديلات اين اجزاء به كار مي رود. سومين نوع فرمان، موجب مي شود كه اجزاي گوناگون به هم پيوسته و شكل مطلوب قطعه را روي سيستم Cad ايجاد كند. در طول اين فرآيند مدلسازي هندسي، كامپيوتر فرامين را به مدل رياضي تبديل مي كند ، به صورت يك پرونده ذخيره مي نمايد، و آن را به شكل يك تصوير بر روي صفحه نمايش نشان مي دهد. مدل مذكور بعداً مي تواند جهت مرور، تجزيه و تحليل، يا تغيير فراخوانده شود.

روش هاي گوناگوني براي نمايش يك قطعه در مدل هندسي وجود دارد. مبنايي ترين و ساده ترين روش از قاب هاي سيم بندي يا اسكلت خطي جهت نمايش قطعه استفاده مي كند در اين روش كه تصويري از عملكردش در شكل ارائه شده، قطعه كار توسط خطوط متقاطع يك پرسپكتيو نمايش داده مي شود.

مثالي از قطعه اي كه با روش قاب سيم بندي طراحي و ترسيم شده است
اين روش مدلسازي بر اساس قابليت سيستم گرافيكي به سه نوع تقسيم مي شود.
– ۲D: نمايش دو بعدي براي نمايش يك قطعه به صورت مسطح.

– ۲٫۵D: در اين روش با استفاده از موضوعات دو بعدي مي توان يك سري اجسام سه بعدي تهيه نمود. اگر چه مدل داراي ويژگي هاي يك جسم سه بعدي است اما سادگي هندسي ديواره هاي كناري آن، موجب مي شود كه مدل به صورت ۵/۲ بعدي تلقي شود.
– ۳D: مدلسازي كامل سه بعدي يك قطعه با هندسه پيچيده.

برخي اوقات حتي نمايش قاب سيم بندي و اسكلت گون سه بعدي يك قطعه براي اشكال پيچيده كافي نيست. مدل هاي سيم بندي مي توانند توسط چندين روش گوناگون بهبود يابند. شكل همان قطعه قبلي با دو امكان بهبود را نشان مي دهد.
اولين بهبود خطوط تيره را استفاده مي كند تا لبه هاي جلوي قطعه را به تصوير بكشد. به عبارتي لبه هايي را كه از نماي روبرو نامرئي هستند، را مد نظر دارد. دومين بهبود، خطوط پنهان را كاملاً پاك مي كند. از اين رو تصوير كمتر شلوغ مي گردد.

مدل سيم بندي و حذف خطوط پنهان
برخي سيستم ها اين خطوط پنهان را به طور خودكار حذف مي كنند. بهبود ديگر مدل سيم بندي مستلزم ارائه نمايش«سطوحي» است كه قطعه را ظاهراً«توپر» و صلب نشان مي دهد.

پيشرفته ترين روش مدلسازي، مدلسازي هندسي جامد يا «مدلسازي توپر» در ابعاد سه گانه است. اين روش نوعاً از اشكال هندسي توپر متشكل از عناصر اوليه استفاده مي كند تا قطعه را بسازد .

مدل توپر يك قطعه
تجزيه و تحليل مهندسي
در تدوين يك طرح مهندسي، براي دستيابي به اهداف خاص فني برخي تجزيه و
تحليل هاي علمي ضروري است. گونه هايي از اين تجزيه و تحليل ها ممكن است شامل محاسبات فشارـ كشش، محاسبات انتقال حرارت، يا به كارگيري معادلات براي شرح رفتار ديناميكي سيستم در حال طراحي باشد. بدين منظور نرم افزارهاي تحليل مهندسي همه منظوره اي وجود دارد. سيستم هاي Cad/Cam غالباً داراي چنين نوع نرم افزارهايي هستند و يا مي توانند به آنها مرتبط شوند.