תכנון בעזרת מחשב (CAD) וייצור בעזרת מחשבים (CAM)

תכנון בעזרת מחשב כולל יצירת מודלים ממוחשבים המוגדרים על ידי פרמטרים גיאומטריים. מודלים אלה מופיעים בדרך כלל על צג מחשב כייצוג תלת מימדי של חלק או מערכת של חלקים, שניתן לשנות בקלות על ידי שינוי פרמטרים רלוונטיים. מערכות CAD מאפשרות למעצבים להציג אובייקטים במגוון רחב של ייצוגים ולבדוק אובייקטים אלה על ידי הדמיית תנאים בעולם האמיתי.

ייצור בעזרת מחשב (CAM) משתמש בנתוני תכנון גיאומטרי לבקרת מכונות אוטומטיות. מערכות CAM משויכות למערכות בקרת מספרי מחשב (CNC) או בקרת מספרי ישיר (DNC). מערכות אלו נבדלות מצורות ישנות יותר של בקרה מספרית (NC) בכך שהנתונים הגיאומטריים מקודדים מכנית. מכיוון שגם CAD וגם CAM משתמשים בשיטות מבוססות מחשב לקידוד נתונים גיאומטריים, ייתכן שתהליכי התכנון והייצור יהיו משולבים מאוד. מערכות תכנון וייצור בעזרת מחשב מכונות בדרך כלל CAD / CAM.

המקורות של CAD / CAM

מקורו של CAD בשלושה מקורות נפרדים, המשמשים גם להדגשת הפעולות הבסיסיות שמערכות CAD מספקות. המקור הראשון ל- CAD נבע מניסיונות להפוך את תהליך הניסוח לאוטומטי. מעבדות המחקר של ג'נרל מוטורס היו חלוציות בתחילת שנות ה -60 של המאה העשרים. אחד היתרונות החשובים בחיסכון בזמן של מודלים ממוחשבים על פני שיטות שרטוט מסורתיות הוא שניתן לתקן או לתפעל במהירות את הראשונים על ידי שינוי פרמטרי המודל. המקור השני ל- CAD היה בבדיקת עיצובים באמצעות סימולציה. השימוש במודלים ממוחשבים לבדיקת מוצרים היה חלוץ על ידי תעשיות היי-טק כמו חלל ומוליכים למחצה. המקור השלישי לפיתוח CAD נבע ממאמצים להקל על הזרימה מתהליך התכנון לתהליך הייצור באמצעות טכנולוגיות בקרה מספריות (NC), שנהנו משימוש נרחב ביישומים רבים באמצע שנות השישים. מקור זה הוא שהביא לקשר בין CAD ל- CAM. אחת המגמות החשובות ביותר בטכנולוגיות CAD / CAM היא האינטגרציה הדוקה יותר ויותר בין שלבי התכנון והייצור של תהליכי ייצור מבוססי CAD / CAM.

פיתוח CAD ו- CAM ובמיוחד הקשר בין השניים התגבר על חסרונות NC מסורתיים בהוצאות, קלות השימוש והמהירות על ידי מתן אפשרות לתכנון וייצור של חלק באמצעות אותה מערכת קידוד נתונים גיאומטריים. חידוש זה קיצר מאוד את התקופה שבין תכנון לייצור והרחיב מאוד את היקף תהליכי הייצור שניתן להשתמש בהם באופן כלכלי במכונות אוטומטיות. לא פחות חשוב, CAD / CAM העניק למעצב שליטה ישירה הרבה יותר על תהליך הייצור, ויצר אפשרות לתהליכי עיצוב וייצור משולבים לחלוטין.

הצמיחה המהירה בשימוש בטכנולוגיות CAD / CAM לאחר תחילת שנות השבעים התאפשרה על ידי פיתוח שבבי סיליקון בייצור המוני והמיקרו-מעבד, מה שהביא למחשבים זולים יותר. כאשר מחיר המחשבים המשיך לרדת וכוח העיבוד שלהם השתפר, השימוש ב- CAD / CAM התרחב מחברות גדולות בטכניקות ייצור המוני בקנה מידה גדול לחברות בכל הגדלים. היקף הפעולות שעליו הוחל CAD / CAM הורחב גם כן. בנוסף לעיצוב חלקים על ידי תהליכי כלי מכונה מסורתיים כמו הטבעה, קידוח, כרסום וטחינה, CAD / CAM נעשה שימוש על ידי חברות העוסקות בייצור מוצרי אלקטרוניקה, רכיבים אלקטרוניים, פלסטיק יצוק ושלל מוצרים אחרים . מחשבים משמשים גם לשליטה במספר תהליכי ייצור (כגון עיבוד כימי) שאינם מוגדרים בקפדנות כ- CAM מכיוון שנתוני הבקרה אינם מבוססים על פרמטרים גיאומטריים.

באמצעות CAD ניתן לדמות בתלת מימד את תנועת החלק בתהליך ייצור. תהליך זה יכול לדמות קצב הזנה, זוויות ומהירויות של כלי מכונה, מיקום מלחציים המחזיקים חלק, כמו גם טווח ואילוצים אחרים המגבילים את פעולות המכונה. פיתוח מתמשך של סימולציה של תהליכי ייצור שונים הוא אחד האמצעים המרכזיים שבהם מערכות CAD ו- CAM משתלבות יותר ויותר. מערכות CAD / CAM גם מאפשרות תקשורת בין העוסקים בתכנון, ייצור ותהליכים אחרים. יש חשיבות מיוחדת כאשר חברה אחת מתכווצת אחרת לתכנן או לייצר רכיב.

יתרונות וחסרונות

דוגמנות עם מערכות CAD מציעה מספר יתרונות על פני שיטות שרטוט מסורתיות המשתמשות בסרגלים, ריבועים ומצפנים. לדוגמא, ניתן לשנות עיצובים מבלי למחוק ולשרטט מחדש. מערכות CAD מציעות גם תכונות 'זום' אנלוגיות לעדשת מצלמה, לפיה מעצב יכול להגדיל אלמנטים מסוימים במודל כדי להקל על הבדיקה. מודלים ממוחשבים הם בדרך כלל תלת מימדיים וניתן לסובב אותם על כל ציר, ככל שאפשר לסובב מודל תלת מימדי בפועל בידו, ומאפשר למעצב לקבל תחושה מלאה יותר של האובייקט. מערכות CAD גם מעניקות דוגמנות לשרטוט ציורים חתוכים, בהם מתגלה הצורה הפנימית של חלק, ולהמחשת היחסים המרחבים בין מערכת חלקים.

כדי להבין CAD זה גם שימושי להבין מה CAD לא יכול לעשות. למערכות CAD אין אמצעים להבנת מושגים בעולם האמיתי, כגון אופי האובייקט המתוכנן או הפונקציה שתשרת האובייקט. מערכות CAD מתפקדות על פי יכולתן לקודד מושגים גיאומטריים. לפיכך תהליך העיצוב באמצעות CAD כולל העברת רעיון מעצב למודל גיאומטרי פורמלי. המאמצים לפיתוח 'אינטליגנציה מלאכותית' (AI) מבוססת מחשב טרם הצליחו לחדור אל מעבר למכני - המיוצג על ידי דוגמנות גיאומטרית (מבוססת-כללים).

מגבלות אחרות ל- CAD מטופלות על ידי מחקר ופיתוח בתחום מערכות מומחים. תחום זה נגזר ממחקר שנעשה ב- AI. דוגמה אחת למערכת מומחים כוללת שילוב מידע על אופי החומרים - משקלם, חוזק מתיחתם, גמישותם וכן הלאה - בתוכנת CAD. על ידי הכללת מידע זה ואחרים, מערכת ה- CAD יכולה אז 'לדעת' מה יודע מהנדס מומחה כאשר אותו מהנדס יוצר תכנון. לאחר מכן המערכת תוכל לחקות את דפוס המחשבה של המהנדס ולמעשה 'ליצור' יותר מהעיצוב. מערכות מומחים עשויות לכלול יישום של עקרונות מופשטים יותר, כגון אופי הכבידה והחיכוך, או התפקוד והקשר של חלקים נפוצים, כמו מנופים או ברגים. מערכות מומחים עשויות גם לשנות את אופן אחסון הנתונים ושליפתם במערכות CAD / CAM, ובכך להחליף את המערכת ההיררכית כזו שמציעה גמישות רבה יותר. מושגים עתידניים כאלה, לעומת זאת, כולם תלויים מאוד ביכולות שלנו לנתח תהליכי החלטה אנושיים ולתרגם אותם למקבילות מכניות, אם אפשר.

אחד מתחומי הפיתוח המרכזיים בטכנולוגיות CAD הוא הדמיית ביצועים. בין הסוגים הנפוצים ביותר של סימולציה הם בדיקת תגובה למתח ודוגמנות התהליך לפיו ניתן לייצר חלק או היחסים הדינמיים בין מערכת חלקים. במבחני מאמץ, משטחי המודל מוצגים על ידי רשת או רשת, שמתעוותים כאשר החלק נתון במתח פיזי או תרמי מדומה. מבחני דינמיקה מתפקדים כהשלמה או תחליף לבניית אבות טיפוס עובדים. הקלות בה ניתן לשנות את מפרטי החלק מאפשרת פיתוח יעילות דינמית אופטימלית, הן בכל הנוגע לתפקוד מערכת חלקים והן לייצור כל חלק נתון. סימולציה משמשת גם לאוטומציה של תכנון אלקטרוני, בה זרימת זרם מדומה במעגל מאפשרת בדיקה מהירה של תצורות רכיבים שונות.

תהליכי התכנון והייצור ניתנים להפרדה מבחינה רעיונית במובן מסוים. עם זאת יש לבצע את תהליך העיצוב מתוך הבנה של אופי תהליך הייצור. יש צורך, למשל, שמעצב יכיר את מאפייני החומרים איתם ניתן לבנות את החלק, את הטכניקות השונות בהן ניתן לעצב את החלק ואת מידת הייצור הכדאית מבחינה כלכלית. החפיפה הרעיונית בין תכנון וייצור מעידה על היתרונות הפוטנציאליים של CAD ו- CAM ועל הסיבה שהם נחשבים בדרך כלל יחד כמערכת.

ההתפתחויות הטכניות האחרונות השפיעו באופן בסיסי על התועלת של מערכות CAD / CAM. לדוגמא, כוח העיבוד ההולך וגדל של מחשבים אישיים העניק להם כדאיות ככלי ליישום CAD / CAM. מגמה חשובה נוספת היא לכינון תקן CAD-CAM יחיד, כך שניתן להחליף חבילות נתונים שונות ללא עיכובים בייצור ואספקה, תיקוני תכנון מיותרים ובעיות אחרות שממשיכות לסבול כמה יוזמות CAD-CAM. לבסוף, תוכנת CAD-CAM ממשיכה להתפתח בתחומים כמו ייצוג חזותי ואינטגרציה של יישומי דוגמנות ובדיקות.

התיק עבור CAS ו- CAS / CAM

פיתוח מקביל רעיוני ופונקציונלי ל- CAD / CAM הוא CAS או CASE, הנדסת תוכנה בעזרת מחשב. כפי שהוגדר על ידי SearchSMB.com במאמרו על 'CASE', 'CASE' ¦ הוא השימוש בשיטה בעזרת מחשב לארגון ובקרה על פיתוח תוכנה, במיוחד בפרויקטים גדולים ומורכבים הכוללים רכיבי תוכנה ואנשים רבים. ' CASE מתחיל בשנות השבעים, כאשר חברות מחשבים החלו ליישם מושגים מחוויית CAD / CAM כדי להכניס משמעת רבה יותר לתהליך פיתוח התוכנה.

קיצור נוסף בהשראת הנוכחות בכל מקום של CAD / CAM בתחום הייצור הוא CAS / CAM. ביטוי זה מייצג תוכנת מכירה בעזרת מחשבים / שיווק בעזרת מחשבים. במקרה של CASE כמו גם CAS / CAM, הליבה של טכנולוגיות כאלה היא שילוב של תזרימי עבודה ויישום של כללים מוכחים לתהליך חוזר.