การออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย (CAD) และการผลิตโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย (CAM)

การออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย (CAD) เกี่ยวข้องกับการสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ที่กำหนดโดยพารามิเตอร์ทางเรขาคณิต โมเดลเหล่านี้มักปรากฏบนจอคอมพิวเตอร์โดยแสดงเป็นสามมิติของชิ้นส่วนหรือระบบของชิ้นส่วน ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการเปลี่ยนพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้อง ระบบ CAD ช่วยให้นักออกแบบสามารถดูวัตถุภายใต้การนำเสนอที่หลากหลาย และทดสอบวัตถุเหล่านี้ด้วยการจำลองสภาพในโลกแห่งความเป็นจริง

การผลิตโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย (CAM) ใช้ข้อมูลการออกแบบเชิงเรขาคณิตเพื่อควบคุมเครื่องจักรอัตโนมัติ ระบบ CAM เชื่อมโยงกับระบบควบคุมเชิงตัวเลขของคอมพิวเตอร์ (CNC) หรือระบบควบคุมเชิงตัวเลขโดยตรง (DNC) ระบบเหล่านี้แตกต่างจากรูปแบบเก่าของการควบคุมเชิงตัวเลข (NC) ที่ข้อมูลทางเรขาคณิตถูกเข้ารหัสด้วยกลไก เนื่องจากทั้ง CAD และ CAM ใช้วิธีคอมพิวเตอร์ในการเข้ารหัสข้อมูลเชิงเรขาคณิต จึงเป็นไปได้ที่กระบวนการของการออกแบบและการผลิตจะถูกรวมเข้าด้วยกันในระดับสูง การออกแบบและการผลิตโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วยมักเรียกกันว่า CAD/CAM

ที่มาของ CAD/CAM

CAD มีต้นกำเนิดมาจากแหล่งที่มาที่แยกจากกันสามแหล่ง ซึ่งยังใช้เพื่อเน้นการทำงานพื้นฐานที่ระบบ CAD มีให้อีกด้วย แหล่งที่มาแรกของ CAD เกิดจากการพยายามทำให้กระบวนการร่างแบบอัตโนมัติ การพัฒนาเหล่านี้ริเริ่มโดย General Motors Research Laboratories ในช่วงต้นทศวรรษ 1960 ข้อดีอย่างหนึ่งที่ช่วยประหยัดเวลาที่สำคัญของการสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์เหนือวิธีการร่างแบบเดิมคือ แบบเดิมสามารถแก้ไขได้หรือจัดการอย่างรวดเร็วโดยการเปลี่ยนพารามิเตอร์ของแบบจำลอง แหล่งที่มาที่สองของ CAD อยู่ในการทดสอบการออกแบบโดยการจำลอง การใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อทดสอบผลิตภัณฑ์ได้รับการบุกเบิกโดยอุตสาหกรรมที่มีเทคโนโลยีสูง เช่น การบินและอวกาศและเซมิคอนดักเตอร์ แหล่งที่มาที่สามของการพัฒนา CAD เป็นผลมาจากความพยายามในการอำนวยความสะดวกในการไหลจากกระบวนการออกแบบไปยังกระบวนการผลิตโดยใช้เทคโนโลยีการควบคุมเชิงตัวเลข (NC) ซึ่งได้รับความนิยมในการใช้งานอย่างแพร่หลายในหลากหลายรูปแบบในช่วงกลางทศวรรษ 1960 แหล่งที่มานี้ทำให้เกิดความเชื่อมโยงระหว่าง CAD และ CAM หนึ่งในแนวโน้มที่สำคัญที่สุดในเทคโนโลยี CAD/CAM คือการผสานรวมที่แน่นแฟ้นยิ่งขึ้นระหว่างขั้นตอนการออกแบบและขั้นตอนการผลิตของกระบวนการผลิตที่ใช้ CAD/CAM

การพัฒนา CAD และ CAM โดยเฉพาะอย่างยิ่งความเชื่อมโยงระหว่างสองจุดบกพร่อง NC แบบดั้งเดิมในด้านค่าใช้จ่าย การใช้งานง่าย และความรวดเร็ว โดยทำให้การออกแบบและการผลิตชิ้นส่วนสามารถทำได้โดยใช้ระบบการเข้ารหัสข้อมูลทางเรขาคณิตเดียวกัน นวัตกรรมนี้ทำให้ระยะเวลาระหว่างการออกแบบและการผลิตสั้นลงอย่างมาก และขยายขอบเขตของกระบวนการผลิตที่เครื่องจักรอัตโนมัติสามารถนำมาใช้อย่างประหยัดได้อย่างมาก สิ่งที่สำคัญไม่แพ้กัน CAD/CAM ทำให้นักออกแบบสามารถควบคุมกระบวนการผลิตได้โดยตรงมากขึ้น ทำให้เกิดความเป็นไปได้ในการออกแบบและกระบวนการผลิตแบบบูรณาการอย่างสมบูรณ์

การเติบโตอย่างรวดเร็วของการใช้เทคโนโลยี CAD/CAM หลังจากช่วงต้นทศวรรษ 1970 เกิดขึ้นได้จากการพัฒนาชิปซิลิกอนที่ผลิตขึ้นเป็นจำนวนมากและไมโครโปรเซสเซอร์ ส่งผลให้คอมพิวเตอร์มีราคาที่ย่อมเยาว์มากขึ้น เนื่องจากราคาคอมพิวเตอร์ลดลงอย่างต่อเนื่องและกำลังการประมวลผลดีขึ้น การใช้ CAD/CAM จึงขยายจากบริษัทขนาดใหญ่ที่ใช้เทคนิคการผลิตจำนวนมากไปจนถึงบริษัททุกขนาด ขอบเขตการดำเนินงานที่ใช้ CAD/CAM กว้างขึ้นเช่นกัน นอกเหนือจากการขึ้นรูปชิ้นส่วนโดยกระบวนการเครื่องมือกลแบบดั้งเดิม เช่น การปั๊ม การเจาะ การกัด และการเจียรแล้ว CAD/CAM ยังถูกนำไปใช้โดยบริษัทที่เกี่ยวข้องกับการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ พลาสติกขึ้นรูป และผลิตภัณฑ์อื่นๆ อีกจำนวนมาก . คอมพิวเตอร์ยังใช้เพื่อควบคุมกระบวนการผลิตจำนวนหนึ่ง (เช่น การประมวลผลทางเคมี) ที่ไม่ได้กำหนดไว้อย่างเข้มงวดว่าเป็น CAM เนื่องจากข้อมูลการควบคุมไม่ได้อิงตามพารามิเตอร์ทางเรขาคณิต

การใช้ CAD ทำให้สามารถจำลองการเคลื่อนไหวของชิ้นส่วนในสามมิติผ่านกระบวนการผลิตได้ กระบวนการนี้สามารถจำลองอัตราการป้อน มุมและความเร็วของเครื่องมือกล ตำแหน่งของแคลมป์จับชิ้นส่วน ตลอดจนช่วงและข้อจำกัดอื่นๆ ที่จำกัดการทำงานของเครื่องจักร การพัฒนาการจำลองของกระบวนการผลิตต่างๆ อย่างต่อเนื่องเป็นหนึ่งในวิธีการหลักที่ทำให้ระบบ CAD และ CAM ถูกรวมเข้าด้วยกันมากขึ้น ระบบ CAD/CAM ยังอำนวยความสะดวกในการสื่อสารระหว่างผู้ที่เกี่ยวข้องในการออกแบบ การผลิต และกระบวนการอื่นๆ สิ่งนี้มีความสำคัญเป็นพิเศษเมื่อบริษัทหนึ่งทำสัญญากับอีกบริษัทหนึ่งเพื่อออกแบบหรือผลิตส่วนประกอบ

ข้อดีและข้อเสีย

การสร้างแบบจำลองด้วยระบบ CAD มีข้อดีหลายประการเหนือวิธีการร่างแบบดั้งเดิมที่ใช้ไม้บรรทัด สี่เหลี่ยม และวงเวียน ตัวอย่างเช่น สามารถปรับเปลี่ยนการออกแบบได้โดยไม่ต้องลบและวาดใหม่ ระบบ CAD ยังนำเสนอคุณสมบัติ 'ซูม' ที่คล้ายคลึงกับเลนส์กล้อง โดยนักออกแบบสามารถขยายองค์ประกอบบางอย่างของแบบจำลองเพื่ออำนวยความสะดวกในการตรวจสอบ แบบจำลองคอมพิวเตอร์โดยทั่วไปจะเป็นสามมิติและสามารถหมุนได้บนแกนใดก็ได้ มากที่สุดเท่าที่สามารถหมุนแบบจำลองสามมิติจริงได้ด้วยมือเดียว ทำให้นักออกแบบสามารถรับรู้ถึงวัตถุได้อย่างเต็มที่ ระบบ CAD ยังให้ประโยชน์กับการสร้างแบบจำลองภาพวาดตัดขวาง ซึ่งจะแสดงรูปร่างภายในของชิ้นส่วน และเพื่อแสดงความสัมพันธ์เชิงพื้นที่ระหว่างระบบของชิ้นส่วน

เพื่อให้เข้าใจ CAD ก็ยังมีประโยชน์ที่จะเข้าใจว่า CAD ไม่สามารถทำได้ ระบบ CAD ไม่มีวิธีในการทำความเข้าใจแนวคิดในโลกแห่งความเป็นจริง เช่น ลักษณะของวัตถุที่ออกแบบหรือฟังก์ชันที่วัตถุจะให้บริการ ระบบ CAD ทำงานตามความสามารถในการประมวลแนวคิดเชิงเรขาคณิต ดังนั้นขั้นตอนการออกแบบโดยใช้ CAD จึงเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนแนวคิดของนักออกแบบไปเป็นแบบจำลองทางเรขาคณิตที่เป็นทางการ ความพยายามในการพัฒนา 'ปัญญาประดิษฐ์' (AI) ที่ใช้คอมพิวเตอร์ยังไม่ประสบความสำเร็จในการเจาะทะลุผ่านกลไก ซึ่งแสดงโดยการสร้างแบบจำลองทางเรขาคณิต (ตามกฎ)

ข้อจำกัดอื่นๆ สำหรับ CAD กำลังได้รับการแก้ไขโดยการวิจัยและพัฒนาในด้านระบบผู้เชี่ยวชาญ สาขานี้มาจากการวิจัยที่ทำใน AI ตัวอย่างหนึ่งของระบบผู้เชี่ยวชาญเกี่ยวข้องกับการรวมข้อมูลเกี่ยวกับธรรมชาติของวัสดุ เช่น น้ำหนัก ความต้านทานแรงดึง ความยืดหยุ่น และอื่นๆ ลงในซอฟต์แวร์ CAD การรวมข้อมูลนี้และข้อมูลอื่นๆ ทำให้ระบบ CAD สามารถ 'รู้' สิ่งที่วิศวกรผู้เชี่ยวชาญรู้เมื่อวิศวกรสร้างการออกแบบ จากนั้นระบบสามารถเลียนแบบรูปแบบความคิดของวิศวกรและ 'สร้าง' การออกแบบได้มากขึ้น ระบบผู้เชี่ยวชาญอาจเกี่ยวข้องกับการใช้หลักการที่เป็นนามธรรมมากขึ้น เช่น ธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงและแรงเสียดทาน หรือการทำงานและความสัมพันธ์ของชิ้นส่วนที่ใช้กันทั่วไป เช่น คันโยกหรือน็อตและสลักเกลียว ระบบผู้เชี่ยวชาญอาจมาเปลี่ยนวิธีการจัดเก็บและดึงข้อมูลในระบบ CAD/CAM โดยแทนที่ระบบลำดับชั้นด้วยระบบที่มีความยืดหยุ่นมากขึ้น อย่างไรก็ตาม แนวความคิดแห่งอนาคตเหล่านี้ล้วนขึ้นอยู่กับความสามารถของเราในการวิเคราะห์กระบวนการตัดสินใจของมนุษย์และแปลสิ่งเหล่านี้ให้เทียบเท่าทางกลหากเป็นไปได้

หนึ่งในประเด็นสำคัญของการพัฒนาเทคโนโลยี CAD คือการจำลองประสิทธิภาพ ประเภทการจำลองที่พบบ่อยที่สุดคือการทดสอบการตอบสนองต่อความเครียดและการสร้างแบบจำลองของกระบวนการที่อาจผลิตชิ้นส่วนหรือความสัมพันธ์แบบไดนามิกระหว่างระบบของชิ้นส่วน ในการทดสอบความเค้น พื้นผิวของแบบจำลองจะแสดงด้วยตารางหรือตาข่าย ซึ่งจะบิดเบี้ยวเมื่อชิ้นส่วนอยู่ภายใต้การจำลองความเค้นทางกายภาพหรือจากความร้อน การทดสอบพลวัตทำหน้าที่เป็นส่วนเสริมหรือทดแทนสำหรับการสร้างต้นแบบการทำงาน ความง่ายในการเปลี่ยนแปลงข้อกำหนดของชิ้นส่วนช่วยอำนวยความสะดวกในการพัฒนาประสิทธิภาพไดนามิกที่เหมาะสม ทั้งในส่วนที่เกี่ยวกับการทำงานของระบบชิ้นส่วนและการผลิตชิ้นส่วนที่กำหนด การจำลองยังใช้ในการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์อัตโนมัติ ซึ่งการจำลองการไหลของกระแสผ่านวงจรทำให้สามารถทดสอบการกำหนดค่าส่วนประกอบต่างๆ ได้อย่างรวดเร็ว

กระบวนการของการออกแบบและการผลิตนั้น ในบางแง่ แนวคิดสามารถแยกออกได้ ทว่าขั้นตอนการออกแบบต้องดำเนินการด้วยความเข้าใจในธรรมชาติของกระบวนการผลิต ตัวอย่างเช่น จำเป็นสำหรับนักออกแบบที่จะต้องทราบคุณสมบัติของวัสดุที่ใช้ทำชิ้นส่วน เทคนิคต่างๆ ที่ใช้ในการขึ้นรูปชิ้นส่วน และขนาดการผลิตที่คุ้มค่าทางเศรษฐกิจ แนวคิดที่ทับซ้อนกันระหว่างการออกแบบและการผลิตนั้นบ่งบอกถึงประโยชน์ที่เป็นไปได้ของ CAD และ CAM และเหตุผลที่โดยทั่วไปจะพิจารณารวมกันเป็นระบบ

การพัฒนาทางเทคนิคล่าสุดส่งผลกระทบโดยพื้นฐานต่อประโยชน์ของระบบ CAD/CAM ตัวอย่างเช่น พลังการประมวลผลที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ของคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลทำให้พวกเขามีชีวิตในฐานะพาหนะสำหรับแอปพลิเคชัน CAD/CAM แนวโน้มที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือการจัดตั้งมาตรฐาน CAD-CAM เดียว เพื่อให้สามารถแลกเปลี่ยนแพ็คเกจข้อมูลที่แตกต่างกันได้โดยไม่เกิดความล่าช้าในการผลิตและการส่งมอบ การแก้ไขการออกแบบที่ไม่จำเป็น และปัญหาอื่นๆ ที่ยังคงส่งผลกระทบต่อการริเริ่ม CAD-CAM บางอย่าง สุดท้าย ซอฟต์แวร์ CAD-CAM ยังคงพัฒนาต่อไปในขอบเขตต่างๆ เช่น การแสดงภาพและการรวมแอปพลิเคชันการสร้างแบบจำลองและการทดสอบ

กรณีสำหรับ CAS และ CAS/CAM

การพัฒนาแบบขนานตามแนวคิดและการทำงานกับ CAD/CAM คือ CAS หรือ CASE ซึ่งเป็นวิศวกรรมซอฟต์แวร์โดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย ตามคำจำกัดความของ SearchSMB.com ในบทความเรื่อง 'CASE' 'CASE '¦ เป็นการใช้วิธีคอมพิวเตอร์ช่วยเพื่อจัดระเบียบและควบคุมการพัฒนาซอฟต์แวร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโครงการขนาดใหญ่และซับซ้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับส่วนประกอบซอฟต์แวร์และบุคลากรจำนวนมาก' CASE มีอายุย้อนไปถึงปี 1970 เมื่อบริษัทคอมพิวเตอร์เริ่มใช้แนวคิดจากประสบการณ์ CAD/CAM เพื่อแนะนำระเบียบวินัยมากขึ้นในกระบวนการพัฒนาซอฟต์แวร์

ตัวย่ออีกตัวหนึ่งที่ได้รับแรงบันดาลใจจากการมีอยู่ทั่วไปของ CAD/CAM ในภาคการผลิตคือ CAS/CAM วลีนี้ย่อมาจากซอฟต์แวร์ Computer-Aided Selling/Computer-Aided Marketing ในกรณีของ CASE และ CAS/CAM แกนหลักของเทคโนโลยีดังกล่าวคือการผสานรวมเวิร์กโฟลว์และการประยุกต์ใช้กฎที่พิสูจน์แล้วกับกระบวนการที่เกิดซ้ำ