コンピュータ支援設計と製造

コンピュータ支援設計（CAD）は、コンピュータ支援設計および製図（CADD）とも呼ばれ、直線からカスタムアニメーションまで、コンピュータの助けを借りて描画の全ス 実際には、CADは二次元および三次元模倣の機能と完全な工学および建築解決の設計のためのソフトウェアを示します。

コンピュータ支援製造（CAM）は、柔軟な製造やロボット工学を含むあらゆる製造プロセスを支援するためにコンピュータを使用することを含む。 多くの場合、CADシステムからの出力はCAMシステムへの入力として機能します。 これらの2つのシステムが連携して動作する場合、結果はCADCAMと呼ばれ、企業のコンピュータ統合製造（CIM）プロセスの一部になります。

CADCAMシステムは、一般的な製品ライフサイクルのステップのすべてではないにしても、多くのステップを支援することを意図しています。 製品のライフサイクルには、設計段階と実装段階が含まれます。 設計フェーズには、設計ニーズと仕様の特定、フィージビリティスタディ、設計文書化、評価、分析、最適化の実行、および設計自体の完了が含まれます。 実施段階には、プロセス計画、生産計画、品質管理、包装、マーケティング、および出荷が含まれます。

CADシステムはほとんどの設計フェーズプロセスに役立ち、CAMシステムはほとんどの実装プロセスに役立ちます。 CADおよびCAMシステムの貢献は以下に説明されています。

CADシステム

CADシステムはグラフィックスソフトウェアの特殊な形式であるため、グラフィックスプログラミングの基本原則に従わなければなりません。 すべてのグラフィックスプログラムは、グラフィックスデバイス（モニタ上のウィンドウ、プリンタ、プロッタなど）のコンテキストで動作します。 グラフィックス画像は、2次元または3次元座標系に関連して描画され、その中にはいくつかのタイプがあります。

デバイス座標系は2次元であり、画像をハードウェアデバイスのポイント（ピクセル）に直接マッピングします。 デバイスに依存しないグラフィックスを容易にするために、仮想デバイス座標系は2次元点を論理フレームワークに抽象化します。

もちろん、設計されるデバイスは一般的に3次元オブジェクトであり、オブジェクトが存在する空間を表すワールド座標系と、その空間内の各オブジェク CADソフトウェアには、3-Dモデルを2-Dデバイス座標系に投影するためのアルゴリズムが含まれています。

CADシステムには、線、多角形、円と円弧、長方形、およびその他の単純な形状を含むいくつかの原始的な描画機能が含まれています。 これらのプリミティブから、3次元複合材料を構築することができ、立方体、ピラミッド、円錐、くさび、円柱、および球を含む。 これらの図形は任意の色で描画でき、単色または他のパターン（孵化と呼ばれる）で塗りつぶすことができます。 さらに、基本的な形状は、フィレット（丸め）または面取り（線分割）によって変更することができます。

基本的な形状の操作に基づいて、設計者はオブジェクトのモデルを構築します。 スケルタルワイヤーフォームモデルは、すべてのエッジとフィーチャを線として表示する3次元表現です。 より現実的に見えるモデルは固体モデルと呼ばれ、隠された特徴を示さない単一の全体として設計されているオブジェクトの3-Dモデルです。 ソリッドモデルは閉じたボリュームを表します。 これには、サーフェス情報と、閉じたボリュームに他のオブジェクトまたはフィーチャが含まれているかどうかを判断するデータが含まれています。

ソリッドモデリングには、3次元形状の作成、形状の組み合わせ（ユニオン、交差、差分操作を介して）、単純な形状をより複雑な形状に変換するためのスイープ（並進および回転）、スキニング（サーフェステクスチャの作成）、および様々な境界作成機能が含まれます。 ソリッドモデリングにはパラメータ化も含まれており、CADシステムはオブジェクトのコンポーネント間の一連の関係を維持して、変更を次の構造に伝播させることができます。

一般的な形状は、フィーチャに構築されます(例: これは、オブジェクトのソリッドモデルに含めることができます。 特徴表現は、ユーザーが部品を定義するのに役立ちます。 また、機能は明示的な相互作用よりもパラメータ化が容易であるため、CADソフトウェア設計を簡素化します。 フィーチャから構築されたオブジェクトは、パーツと呼ばれます。 設計されている製品は複数の部品で構成されているため、多くのCADシステムには、部品が参照され、それらの幾何学的および機能的関係が格納され

CADモデルは、さまざまなコンテキストで操作して表示することができます。 これらは、任意の角度や視点から見たり、バラバラにしたり、スライスしたり、シミュレーションテストを行ったりして、設計の強みや欠陥を分析するこ 部品は、部品の異なる視点を提供する回転操作と、部品がビュー空間内の異なる場所に移動することを可能にする移動を介して、座標系内で移動する さらに、CADシステムは設計者のデッサンに基づいてサイズの価値を割り当てる貴重な寸法記入の機能性を提供する。

これらの画像の動きはアニメーションの一形態である。 多くの場合、CADシステムには仮想現実技術が含まれており、設計されているオブジェクトとの現実世界の相互作用をシミュレートするアニメーショ たとえば、オブジェクトが建物の場合、仮想現実システムを使用すると、建物の内側と外側を歩いているかのようにシーンを視覚化することができ、多 現実的な効果を生成するためには、システムは、ユーザーのビュー空間を移動する際に表面に反射する光の期待される効果を描写する必要があります。 このプロセスはレンダリングと呼ばれます。

レンダリング技術には、シェーディング、反射、レイトレーシングのための設備が含まれています。 また、洗練されたビデオゲームで使用されているこの技術は、オブジェクトの現実的なイメージを提供し、多くの場合、ユーザーが建物の建設にお金を投資する いくつかの仮想現実インターフェースには、視覚刺激以上のものが含まれています。 実際、設計者は仮想環境に完全に没頭し、設計されたデバイスとの運動感覚的相互作用を経験することができます。

一部のCADシステムは、部品設計を支援するだけでなく、実際には環境内のストレスに対して製品をテストするための機能を備えています。 有限要素法（FEM）と呼ばれる技術を使用して、これらのシステムは、応力、変形、熱伝達、磁場分布、流体の流れ、および他の連続場の問題を決定します。

有限要素解析はすべての設計の詳細に関係しないため、完全なソリッドモデルの代わりにメッシュが使用されます。 メッシュ生成には、設計された部品の良い近似を与える単純な要素のセットを計算することが含まれます。 良好なメッシュ化は、不必要な複雑さを避けるために、FEM計算には十分な精度の解析モデルを生成する必要がありますが、要素の数は最小です。

FEMに加えて、いくつかのCADシステムは、シミュレーテッドアニーリングや遺伝的アルゴリズム（人工知能の分野から借用）を含む様々な最適化技術を提供しています。 これらの方法は、ユーザ定義の制約（例えば、許容応力レベルまたはコスト制限）を満たしながら、設計された物体の形状、厚さ、および他のパラメータを改善す

設計者がCADを使用して製品設計を開発する場合、このデータはCADデータベースに格納されます。 CADシステムは、オブジェクトがサブオブジェクトで構成され、小さなコンポーネントで構成されるなどの設計プロセスを可能にします。 したがって、CADデータベースはオブジェクト指向である傾向があります。 CAD設計はCAMシステムで使用するか、さまざまなソフトウェアパッケージを使用して他のCAD設計者と共有する必要がある場合があるため、ほとんどのCAD そのような標準の1つは、米国規格協会（ANSI）によって開発されたもので、初期グラフィックス交換仕様（IGES）と呼ばれています。

もう一つのデータ形式はDxfであり、一般的なAutoCADソフトウェアで使用され、事実上の業界標準になっています。 あるファイル形式から別のファイル形式に変換する機能は、データ交換と呼ばれ、多くのCADソフトウェアパッケージの共通機能です。

現代のCADシステムは、設計者や企業にとって多くの利点を提供します。 たとえば、設計の標準コンポーネントを自動的に生成し、以前に設計されたコンポーネントの再利用を可能にし、設計変更を容易にすることにより、時間、 このようなシステムは、仕様に対する設計の検証、設計のシミュレーションとテスト、および製造施設への設計とエンジニアリング文書の出力も提供します。 一部の設計者は、CADシステムの限界が時には彼らの創造性を抑制するのに役立つと不平を言うが、彼らは電気、機械、および建築設計に不可欠なツール

CAM SYSTEMS

製造プロセスには、プロセス計画、生産計画（工具調達、材料発注、数値制御プログラミングを含む）、生産、品質管理、包装、マーケティング、出荷が含まれます。 CAMシステムは、このプロセスの最後の2つのステップを除いてすべてを支援します。 CAMシステムでは、コンピュータは工場の生産資源と直接または間接的にインタフェースします。

プロセス計画は、どのプロセスとパラメータを使用するか、およびこれらのプロセスを実行する機械を確立する製造機能です。 これは頻繁に部品を組み立てるか、または製造するために機械に詳しい仕事の指示を準備することを含む。 コンピュータ支援プロセス計画（CAPP）システムは、生産される部品のファミリ分類に基づいて、この部品を生産するために必要な一連の操作（ルーティングと 時には、これらのプロセス計画は、CADデータベースからのデータに基づいて構築されます。

プロセス計画は困難なスケジューリング問題です。 複雑な製造手順の場合、最適なプロセス計画を得るために洗練された最適化方法を使用する必要があるプロセス内のタスクの可能な順列の膨大な数が存在する可能性があります。 この問題を解決するために、遺伝的アルゴリズムやヒューリスティック検索（人工知能に基づく）などの技術が採用されることが多い。

最も一般的なCAMアプリケーションは、プログラムされた命令が研削、カット、ミル、パンチ、または完成品に生の在庫を曲げる工作機械を制御する数値制御（NC） 多くの場合、NCはCADデータベースから仕様を入力し、工作機械のオペレータからの追加情報も入力します。 典型的なNC工作機械には、機械制御ユニット（MCU）と工作機械自体が含まれています。 MCUには、部品プログラムから命令を読み取り、復号するデータ処理ユニット(DPU)と、命令を制御信号に変換して工作機械の駆動機構を動作させる制御ループユニット(CLU)が含まれています。

部品プログラムは、部品に関する幾何学的情報と、切削工具がワークピースに対してどのように動くべきかについての動き情報を含む一連の文です。 切断の速度、送り速度および他の情報はまた必須の部分の許容を満たすために指定されます。 部品プログラミングは、それ自体が全体の技術的な規律であり、洗練されたプログラミング言語と座標系の基準点を必要とします。 Cadデータベースから部品プログラムを自動的に生成することができ、CAD設計の幾何学的および機能的仕様が自動的に部品プログラム命令に変換され

数値制御システムは、ラピッドプロトタイピングと製造（RP&M）と呼ばれるより洗練された技術に進化しています。 この技術は、製造される対象物の断面を形成し、断面を層ごとに敷設し、層を組み合わせるという三つのステップを含む。 これは、ソリッドモデリングCADシステムの可用性によって可能になる製造へのツールレスアプローチです。 RP&Mは、設計の評価、機能仕様の検証、およびリバースエンジニアリングによく使用されます。

もちろん、機械制御システムは、人工知能とコンピュータによって制御されたヒューマノイドの物理的能力（器用さ、動き、視覚など）を利用して、ロボティ これらの”鋼鉄つばの労働者”は反復的で、日常的で、危険な環境の人間の労働者を取り替えることによって生産性を高め、コストを削減する。

CAMシステムには、品質管理機能を自動化するための部品が含まれていることがよくあります。 これには、製品とプロセスの仕様の評価、入荷する材料と出荷する製品のテスト、進行中の生産プロセスのテストが含まれます。 品質管理システムは、多くの場合、彼らはCADデータベースに確立された公差仕様を満たしていることを確認するために、組立ラインから来ている製品を測 製品が仕様を満たしていない場合は、組立ライン管理者の例外レポートが生成されます。

要約すると、CAMシステムは、生産プロセスの簡素化と自動化により製造効率を高め、生産設備の利用率を向上させ、生産在庫への投資を削減し、最終的には在庫切れ状況を大幅に削減することにより顧客サービスを向上させることができます。

: コンピュータ統合製造

CADCAMシステムでは、部品はコンピュータ上で（CAD経由で）設計され、CAM経由で部品を製造するコンピュータ駆動の工作機械に直接送信され このプロセスの中では、道に沿って他の多くのコンピュータ化されたステップがあります。 設計、マテリアルハンドリング、製造、およびパッケージングの全領域は、多くの場合、コンピュータ統合製造（CIM）と呼ばれています。

CIMには、CADおよびCAMのすべての側面、および在庫管理が含まれています。 コストを抑えるために、企業は倉庫内の在庫量を最小限に抑える強い動機を持っています。 ジャストインタイム（JIT）在庫ポリシーは標準になっています。 これを容易にするために、CIMは全体構成の一部として材料所要量計画（MRP）を含んでいます。 MRPシステムは、製造プロセスに必要な材料の種類と量を計画するのに役立ちます。 MRPとCAMの生産スケジューリングおよび工程管理の合併は、製造資源計画（MRPII）と呼ばれています。 したがって、MRPとCADCAMシステムの合併は、組織の生産と在庫管理機能を統合します。

今日の産業は、高品質、低コスト、短納期の新製品を導入できなければ生き残ることはできません。 CADCAMシステムは、これらの要件を実現するためにコンピューティング技術を適用し、近い将来、設計、エンジニアリング、および製造プロセスに大きな影響を