التصميم بمساعدة الحاسوب

التصميم بمساعدة الكمبيوتر ( CAD ) هو استخدام أجهزة الكمبيوتر (أومحطات العمل ) للمساعدة في إنشاء أو تعديل أو تحليل أو تحسينالتصميم. ^[1] يستخدم هذا البرنامج لزيادة إنتاجية المصمم ، وتحسين جودة التصميم ، وتحسين الاتصالات من خلال التوثيق ، وإنشاء قاعدة بيانات للتصنيع. ^[2] تساعد التصميمات التي يتم إجراؤها من خلال برنامج CAD في حماية المنتجات والاختراعات عند استخدامها فيبراءات الاختراع. غالبًا ما يكون إخراج CAD في شكل ملفات إلكترونية للطباعة أو التشغيل الآلي أو عمليات التصنيع الأخرى. يتم أيضًا استخدام مصطلحاتالصياغة بمساعدة الكمبيوتر(CAD)والتصميم والصياغة بمساعدة الكمبيوتر(CADD).^[3]

يُعرف استخدامه في تصميم الأنظمة الإلكترونية بأتمتة التصميم الإلكتروني ( EDA ). يُعرف في التصميم الميكانيكي باسم أتمتة التصميم الميكانيكي ( MDA ) ، والذي يتضمن عملية إنشاء رسم تقني باستخدام برامج الكمبيوتر . ^[4]

يستخدم برنامج CAD للتصميم الميكانيكي إما الرسومات القائمة على المتجهات لتصوير كائنات الصياغة التقليدية ، أو قد ينتج أيضًا رسومات نقطية تُظهر المظهر العام للكائنات المصممة. ومع ذلك ، فهي تنطوي على أكثر من مجرد أشكال. كما هو الحال في الصياغة اليدوية للرسومات الفنية والهندسية ، يجب أن ينقل ناتج CAD معلومات ، مثل المواد والعمليات والأبعاد والتفاوتات ، وفقًا للاتفاقيات الخاصة بالتطبيق.

يمكن استخدام CAD لتصميم المنحنيات والأشكال في مساحة ثنائية الأبعاد (2D) ؛ أو المنحنيات والأسطح والمواد الصلبة في مساحة ثلاثية الأبعاد. ^{[5] [6] : 71 ، 106}

CAD هو فن صناعي مهم يستخدم على نطاق واسع في العديد من التطبيقات ، بما في ذلك صناعة السيارات وبناء السفن وصناعات الطيران والتصميم الصناعي والمعماري والأطراف الصناعية وغيرها الكثير. يستخدم CAD أيضًا على نطاق واسع لإنتاج الرسوم المتحركة بالكمبيوتر للتأثيرات الخاصة في الأفلام والإعلانات والأدلة الفنية ، وغالبًا ما يسمى إنشاء المحتوى الرقمي DCC. يعني الانتشار الحديث وقوة أجهزة الكمبيوتر أنه حتى زجاجات العطور وموزعات الشامبو مصممة باستخدام تقنيات لم يسمع بها مهندسو الستينيات. نظرًا لأهميتها الاقتصادية الهائلة ، فقد كان CAD قوة دافعة رئيسية للبحث في الهندسة الحسابية ورسومات الكمبيوتر (كل من الأجهزة والبرامج) والهندسة التفاضلية المنفصلة . ^[7]

يُطلق على تصميم النماذج الهندسية لأشكال الكائنات ، على وجه الخصوص ، أحيانًا اسم التصميم الهندسي بمساعدة الكمبيوتر ( CAGD ). ^[8]

الاستخدامات

يعد التصميم بمساعدة الكمبيوتر أحد الأدوات العديدة التي يستخدمها المهندسون والمصممين ويتم استخدامه بعدة طرق اعتمادًا على مهنة المستخدم ونوع البرنامج المعني.

يعد CAD جزءًا من نشاط تطوير المنتجات الرقمية (DPD) بالكامل ضمن عمليات إدارة دورة حياة المنتج (PLM) ، وعلى هذا النحو يتم استخدامه مع أدوات أخرى ، والتي تكون إما وحدات متكاملة أو منتجات قائمة بذاتها ، مثل:

• الهندسة بمساعدة الحاسوب (CAE) وتحليل العناصر المحدودة (FEA ، FEM)
• التصنيع بمساعدة الكمبيوتر (CAM) بما في ذلك تعليمات آلات التحكم العددي بالكمبيوتر (CNC)
• التقديم الواقعي ومحاكاة الحركة.
• إدارة المستندات والتحكم في المراجعة باستخدام إدارة بيانات المنتج (PDM)

يتم استخدام CAD أيضًا في الإنشاء الدقيق لمحاكاة الصور التي غالبًا ما تكون مطلوبة في إعداد تقارير التأثير البيئي ، حيث يتم تركيب التصميمات بمساعدة الكمبيوتر للمباني المقصودة في صور للبيئات الحالية لتمثيل الشكل الذي ستكون عليه هذه المنطقة ، حيث يُسمح ببناء المرافق المقترحة. يتم أيضًا تحليل الانسداد المحتمل لممرات الرؤية ودراسات الظل بشكل متكرر من خلال استخدام CAD. ^[9]

لقد ثبت أن CAD مفيدة للمهندسين أيضًا. استخدام أربع خصائص هي التاريخ ، والميزات ، والمعلمات ، والقيود عالية المستوى. يمكن استخدام تاريخ البناء لإلقاء نظرة على الميزات الشخصية للنموذج والعمل في منطقة واحدة بدلاً من النموذج بأكمله. يمكن استخدام المعلمات والقيود لتحديد الحجم والشكل والخصائص الأخرى لعناصر النمذجة المختلفة. يمكن استخدام الميزات في نظام CAD لمجموعة متنوعة من أدوات القياس مثل قوة الشد أو قوة الخضوع أو الخواص الكهربائية أو الكهرومغناطيسية. أيضًا إجهاده ، إجهاده ، توقيته ، أو كيف يتأثر العنصر في درجات حرارة معينة ، إلخ.

أنواع

هناك عدة أنواع مختلفة من CAD ، ^[10] كل منها يتطلب من المشغل التفكير بشكل مختلف حول كيفية استخدامها وتصميم مكوناتها الافتراضية بطريقة مختلفة لكل منها.

هناك العديد من منتجي الأنظمة ثنائية الأبعاد منخفضة النهاية ، بما في ذلك عدد من البرامج المجانية ومفتوحة المصدر. توفر هذه مقاربة لعملية الرسم دون كل الجلبة حول الحجم والموضع على ورقة الرسم المصاحبة للصياغة اليدوية حيث يمكن تعديلها كما هو مطلوب أثناء إنشاء المسودة النهائية.

الإطار السلكي ثلاثي الأبعاد هو في الأساس امتداد للصياغة ثنائية الأبعاد (لا يستخدم كثيرًا اليوم). يجب إدخال كل سطر يدويًا في الرسم. المنتج النهائي ليس له خصائص جماعية مرتبطة به ولا يمكن أن يكون له ميزات مضافة إليه بشكل مباشر ، مثل الثقوب. يقترب المشغل من ذلك بطريقة مشابهة للأنظمة ثنائية الأبعاد ، على الرغم من أن العديد من الأنظمة ثلاثية الأبعاد تسمح باستخدام نموذج الإطار السلكي لعمل عروض الرسم الهندسي النهائية.

يتم إنشاء المواد الصلبة "الغبية" ثلاثية الأبعاد بطريقة مماثلة للتلاعب بأشياء من العالم الحقيقي (لا تُستخدم كثيرًا اليوم). الأشكال الهندسية الأساسية ثلاثية الأبعاد (المنشورات ، الأسطوانات ، المجالات ، المستطيل) لها أحجام صلبة مضافة أو مطروحة منها كما لو كانت تجمع أو تقطع كائنات من العالم الحقيقي. يمكن بسهولة إنشاء العروض المسقطة ثنائية الأبعاد من النماذج. لا تتضمن المواد الصلبة الأساسية ثلاثية الأبعاد عادةً أدوات للسماح بسهولة بحركة المكونات أو وضع حدود لحركتها أو تحديد التداخل بين المكونات.

هناك نوعان من النمذجة الصلبة ثلاثية الأبعاد

• تسمح النمذجة البارامترية للمشغل باستخدام ما يشار إليه باسم "نية التصميم". يتم إنشاء الكائنات والميزات قابلة للتعديل. يمكن إجراء أي تعديلات مستقبلية عن طريق تغيير كيفية إنشاء الجزء الأصلي. إذا كان القصد من الميزة أن تكون موجودة من منتصف الجزء ، يجب على المشغل تحديد موقعها من وسط النموذج. يمكن تحديد موقع الميزة باستخدام أي كائن هندسي متوفر بالفعل في الجزء ، ولكن هذا الموضع العشوائي من شأنه أن يتغلب على هدف التصميم. إذا قام المشغل بتصميم الجزء لأنه يعمل ، فسيكون مصمم النماذج البارامترية قادرًا على إجراء تغييرات على الجزء مع الحفاظ على العلاقات الهندسية والوظيفية.
• توفر النمذجة المباشرة أو الصريحة القدرة على تحرير الهندسة بدون شجرة محفوظات باستخدام النمذجة المباشرة ، بمجرد استخدام الرسم لإنشاء هندسة ، يتم دمج الرسم التخطيطي في الهندسة الجديدة ويقوم المصمم بتعديل الهندسة دون الحاجة إلى الرسم الأصلي. كما هو الحال مع النمذجة البارامترية ، فإن النمذجة المباشرة لديها القدرة على تضمين العلاقات بين الهندسة المختارة (على سبيل المثال ، التماس ، التركيز).

توفر الأنظمة المتطورة القدرات لدمج المزيد من الميزات العضوية والجمالية والمريحة في التصميمات. غالبًا ما يتم دمج النمذجة السطحية ذات الشكل الحر مع المواد الصلبة للسماح للمصمم بإنشاء منتجات تناسب الشكل البشري والمتطلبات المرئية بالإضافة إلى تفاعلها مع الجهاز.

التكنولوجيا

في الأصل ، تم تطوير برنامج لأنظمة CAD بلغات الكمبيوتر مثل Fortran و ALGOL ولكن مع تقدم طرق البرمجة الموجهة للكائنات ، تغير هذا بشكل جذري. تم بناء نماذج حديثة نموذجية قائمة على الميزات وأنظمة السطح الحر حول عدد من وحدات C الرئيسية مع واجهات برمجة التطبيقات الخاصة بها . يمكن اعتبار نظام CAD على أنه مبني من تفاعل واجهة المستخدم الرسومية (GUI) مع بيانات هندسة NURBS أو تمثيل الحدود (B-rep) عبر نواة النمذجة الهندسية. يمكن أيضًا استخدام محرك قيود الهندسة لإدارة العلاقات الترابطية بين الهندسة ، مثل هندسة الإطار السلكي في الرسم أو المكونات في التجميع.

أدت القدرات غير المتوقعة لهذه العلاقات الترابطية إلى شكل جديد من النماذج الأولية يسمى النماذج الأولية الرقمية . على عكس النماذج الأولية المادية ، والتي تتطلب وقت التصنيع في التصميم. ومع ذلك ، يمكن إنشاء نماذج CAD بواسطة جهاز كمبيوتر بعد فحص النموذج الأولي المادي باستخدام آلة التصوير المقطعي المحوسب الصناعية . اعتمادًا على طبيعة العمل ، يمكن اختيار النماذج الأولية الرقمية أو المادية في البداية وفقًا للاحتياجات المحددة.

اليوم ، توجد أنظمة CAD لجميع المنصات الرئيسية ( Windows و Linux و UNIX و Mac OS X ) ؛ بعض الحزم تدعم منصات متعددة. ^[11]

حاليًا ، لا يلزم وجود أجهزة خاصة لمعظم برامج CAD. ومع ذلك ، يمكن لبعض أنظمة CAD القيام بمهام مكثفة من الناحية الرسومية والحسابية ، لذلك قد يوصى باستخدام بطاقة رسومات حديثة ووحدات معالجة مركزية عالية السرعة (وربما متعددة) وكميات كبيرة من ذاكرة الوصول العشوائي .

تكون الواجهة بين الإنسان والآلة بشكل عام عبر فأرة الكمبيوتر ولكن يمكن أيضًا أن تكون عبر قلم وكمبيوتر لوحي رقمي . يتم أيضًا أحيانًا التلاعب بمنظر النموذج على الشاشة باستخدام Spacemouse / SpaceBall . تدعم بعض الأنظمة أيضًا النظارات المجسمة لعرض النموذج ثلاثي الأبعاد . أصبحت التقنيات التي كانت تقتصر في الماضي على التركيبات الكبيرة أو التطبيقات المتخصصة متاحة لمجموعة كبيرة من المستخدمين. وتشمل هذه الأجهزة CAVE أو HMDs والأجهزة التفاعلية مثل تقنية استشعار الحركة

البرمجيات

بدءًا من منتصف الستينيات تقريبًا ، مع نظام صياغة IBM ، بدأت أنظمة التصميم بمساعدة الكمبيوتر في توفير قدرة أكبر من مجرد القدرة على إعادة إنتاج الصياغة اليدوية مع الصياغة الإلكترونية ، أصبحت التكلفة والعائد للشركات للتبديل إلى CAD واضحة. إن مزايا أنظمة CAD على الصياغة اليدوية هي القدرات التي غالبًا ما يعتبرها المرء أمرًا مفروغًا منه من أنظمة الكمبيوتر اليوم ؛ التوليد الآلي لفواتير المواد ، والتخطيط التلقائي في الدوائر المتكاملة ، والتحقق من التداخل ، وغيرها الكثير. في النهاية ، زود CAD المصمم بالقدرة على إجراء العمليات الحسابية الهندسية. ^[6]خلال هذا الانتقال ، كانت الحسابات لا تزال تُجرى يدويًا أو من قبل الأفراد الذين يمكنهم تشغيل برامج الكمبيوتر. كان CAD تغييرًا ثوريًا في الصناعة الهندسية ، حيث بدأ الرسامون والمصممين والأدوار الهندسية في الاندماج. لم يستبعد الإدارات بقدر ما دمج الإدارات ومكَّن الرسامين والمصممين والمهندسين. CAD هو مثال على انتشار أجهزة الكمبيوتر التي بدأ تأثيرها على الصناعة. تتراوح حزم برامج التصميم الحالية بمساعدة الكمبيوتر من أنظمة صياغة ثنائية الأبعاد تعتمد على المتجهات إلى نماذج ثلاثية الأبعاد صلبة وسطح . يمكن أن تسمح حزم CAD الحديثة أيضًا في كثير من الأحيان بالتناوب في ثلاثة أبعاد ، مما يسمح بمشاهدة كائن مصمم من أي زاوية مطلوبة ، حتى من الداخل إلى الخارج.^[6] بعض برامج CAD قادرة على النمذجة الرياضية الديناميكية. ^[6]

تُستخدم تقنية CAD في تصميم الأدوات والآلات وفي صياغة وتصميم جميع أنواع المباني ، من الأنواع السكنية الصغيرة (المنازل) إلى أكبر الهياكل التجارية والصناعية (المستشفيات والمصانع). ^[12]

تُستخدم CAD بشكل أساسي في الهندسة التفصيلية للنماذج ثلاثية الأبعاد أو الرسومات ثنائية الأبعاد للمكونات المادية ، ولكنها تُستخدم أيضًا في جميع مراحل العملية الهندسية بدءًا من التصميم النظري وتخطيط المنتجات ، من خلال القوة والتحليل الديناميكي للتجميعات إلى تحديد طرق تصنيع المكونات. يمكن استخدامه أيضًا لتصميم أشياء مثل المجوهرات ، والأثاث ، والأجهزة ، وما إلى ذلك. علاوة على ذلك ، تقدم العديد من تطبيقات CAD الآن إمكانات عرض ورسوم متحركة متقدمة بحيث يمكن للمهندسين تصور تصميمات منتجاتهم بشكل أفضل. 4D BIM هو نوع من محاكاة هندسة البناء الافتراضية التي تتضمن معلومات متعلقة بالوقت أو الجدول الزمني لإدارة المشروع.

أصبح CAD تقنية مهمة بشكل خاص في نطاق التقنيات المدعومة بالكمبيوتر ، مع فوائد مثل انخفاض تكاليف تطوير المنتج ودورة التصميم القصيرة بشكل كبير . تمكن CAD المصممين من تخطيط العمل وتطويره على الشاشة وطباعته وحفظه للتحرير في المستقبل ، مما يوفر الوقت على رسوماتهم.

قائمة حزم البرامج

يمكّن برنامج CAD المهندسين والمعماريين من تصميم وفحص وإدارة المشاريع الهندسية ضمن واجهة مستخدم رسومية متكاملة (GUI) على نظام كمبيوتر شخصي . تدعم معظم التطبيقات النمذجة الصلبة مع تمثيل الحدود (B-Rep) وهندسة NURBS ، وتمكن من نشرها في مجموعة متنوعة من التنسيقات. نواة النمذجة الهندسية هي مكون برمجي يوفر ميزات نمذجة ونمذجة سطحية صلبة لتطبيقات CAD.

استنادًا إلى إحصاءات السوق ، تهيمن البرامج التجارية من Autodesk و Dassault Systems و Siemens PLM Software و PTC على صناعة CAD. ^{[13] [14]} فيما يلي قائمة بتطبيقات CAD الرئيسية ، مجمعة حسب إحصائيات الاستخدام. ^[15]

انظر أيضا

المراجع

روابط خارجية

• معمل MIT 1982 CAD
• المواد التعليمية المتعلقة بالتصميم بمساعدة الكمبيوتر في ويكي الجامعة
• المواد التعليمية المتعلقة بالتصميم الهندسي بمساعدة الكمبيوتر في ويكي الجامعة
• الوسائط المتعلقة بالتصميم بمساعدة الكمبيوتر في ويكيميديا ​​كومنز
• تعريف القاموس للتصميم بمساعدة الكمبيوتر في ويكاموس