コンピュータ支援設計
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2D CAD図面
3D CADモデル

コンピュータ支援設計（CAD）とは、コンピュータ（またはCADは、コンピュータで作成された設計図などを用いて作成・修正・分析・最適化するソフトウェアです。 [ 1 ]：3 このソフトウェアは、設計者の生産性の向上、設計品質の改善、文書化によるコミュニケーションの改善、製造のためのデータベース作成などに利用されます。 [ 1 ]：4 CADソフトウェアで作成された設計図は、特許の際に製品や発明の保護に役立ちます機械加工のための電子ファイルの形式をとることが多いですコンピュータ支援製図（CAD）やコンピュータ支援設計製図（CADDという用語も使われます。 [ 2 ]

電子システムの設計におけるその利用は、電子設計自動化（EDA）として知られています。機械設計においては、機械設計自動化（MDA ）として知られており、これにはコンピュータソフトウェアを用いて技術図面を作成するプロセスが含まれます。[ 3 ]

機械設計用のCADソフトウェアは、従来の製図におけるオブジェクトをベクターベースのグラフィックスで表現するか、設計オブジェクトの全体的な外観を示すラスターグラフィックスを生成することもあります。しかし、CADソフトウェアが扱うのは単なる形状だけではありません。技術図面やエンジニアリング図面を手作業で作成する場合と同様に、CADの出力は、材料、工程、寸法、公差などの情報を、アプリケーション固有の規則に従って伝える必要があります。

CADは、 2次元（2D）空間での曲線や図形、または3次元（3D）空間での曲線、面、立体の設計に使用されます。 [ 4 ] [ 5 ]：71、106

CADは、自動車、造船、航空宇宙産業、工業デザインや建築デザイン（ビルディングインフォメーションモデリング）、義肢など、多くの分野で広く利用されている重要な工業技術です。また、映画、広告、技術マニュアルなどの特殊効果用のコンピュータアニメーション（DCCデジタルコンテンツ制作と呼ばれる）の制作にも広く利用されています。現代ではコンピュータが広く普及し、その能力は、香水瓶やシャンプーディスペンサーでさえ、1960年代のエンジニアには考えられなかった技術を用いて設計されていることを意味します。経済的にも非常に重要であるため、CADは計算幾何学、コンピュータグラフィックス（ハードウェアとソフトウェアの両方）、離散微分幾何学の研究を大きく推進してきました。[ 6 ]

特に物体形状の幾何学モデルの設計は、コンピュータ支援幾何学設計（CAGD）と呼ばれることもあります。[ 7 ]

概要

コンピュータ支援設計は、エンジニアやデザイナーが使用する多くのツールの 1 つであり、ユーザーの職業やソフトウェアの種類に応じてさまざまな方法で使用されます。

CAD は、製品ライフサイクル管理(PLM) プロセス内のデジタル製品開発 (DPD) アクティビティ全体の一部であり、次のような統合モジュールまたはスタンドアロン製品である他のツールと一緒に使用されます。

CADは、環境影響報告書の作成に必要となる写真シミ​​ュレーションの正確な作成にも用いられます。写真シミュレーションでは、計画されている建物のコンピュータ支援設計を既存の環境写真に重ね合わせ、計画されている施設の建設が許可される場所がどのようなものになるかを再現します。また、視界を遮る可能性のある廊下や日陰の調査も、CADを用いて頻繁に分析されます。[ 8 ]

種類

2Dスケッチからソリッドモデルを再作成する簡単な手順

CADには様々な種類があり[ 9 ] 、それぞれ操作者はCADの使用方法や仮想部品の設計方法について異なる考え方をする必要があります。事実上すべてのCADツールは、モデルの幾何学的要素または非幾何学的要素を定義するために使用される 拘束概念に依存しています。

2D CAD

ローエンドの2Dスケッチシステムは、無料およびオープンソースのプログラムも含め、数多く提供されています。これらのシステムでは、手描きとは異なり、最終版で必要に応じてスケールや図面シート上の配置を簡単に調整できる描画プロセスが提供されます。

3D CAD

3Dワイヤーフレームは、2D製図を3次元空間に拡張したものです。各線は図面に手動で挿入する必要があります。最終製品には質量特性が関連付けられておらず、穴などのフィーチャを直接追加することはできません。多くの3Dシステムでは、ワイヤーフレームモデルを使用して最終的なエンジニアリング図面ビューを作成できますが、オペレーターは2Dシステムと同様の方法でこれらに取り組みます。

3Dの「ダム」ソリッドは、現実世界の物体の操作に似た方法で作成されます。基本的な3次元幾何学形状（例えば、角柱、円柱、球、長方形）には、現実世界の物体を組み立てたり切断したりするのと同じように、ソリッドボリュームが追加または削減されます。モデルから2次元投影図を簡単に生成できます。基本的な3Dソリッドには、通常、コンポーネントの動きを簡単に許可したり、動きの制限を設定したり、コンポーネント間の干渉を検出したりするためのツールは含まれていません。

3Dソリッドモデリングにはいくつかの種類があります

  • パラメトリックモデリングでは、オペレーターはいわゆる「設計意図」を活かすことができます。オブジェクトとフィーチャは変更可能な状態で作成されます。将来的な変更は、元のパーツの作成方法を変更することで行うことができます。フィーチャがパーツの中心から配置されるように意図されていた場合、オペレーターはモデルの中心から配置する必要があります。フィーチャは、パーツに既に存在する任意の幾何学的オブジェクトを使用して配置することもできますが、このようなランダムな配置は設計意図に反します。オペレーターがパーツを機能通りに設計する場合、パラメトリックモデラーは幾何学的および機能的な関係を維持しながらパーツに変更を加えることができます。
  • ダイレクトモデリング（またはエクスプリシットモデリング）では、履歴ツリーを必要とせずにジオメトリを編集できます。ダイレクトモデリングでは、スケッチを使用してジオメトリを作成すると、そのスケッチが新しいジオメトリに組み込まれるため、設計者は元のスケッチを必要とせずに、ジオメトリを変更するだけで済みます。パラメトリックモデリングと同様に、ダイレクトモデリングでは、選択したジオメトリ間の関係（接線、同心度など）を含めることができます。
  • アセンブリモデリングとは、単一部品モデリングの結果を、複数の部品を含む最終製品に組み込むプロセスです。アセンブリは、CADソフトウェアベンダーによって異なりますが、階層構造を持つ場合があり、非常に複雑なモデルを作成することができます（例えば、建築工学においてコンピュータ支援建築設計ソフトウェアを使用する場合など）。 [ 10 ]：539

フリーフォームCAD

最高級のCADシステムは、より有機的で美しく、人間工学的な特徴をデザインに取り入れる機能を提供します。自由曲面モデリングはソリッドと組み合わせられることが多く、これによりデザイナーは人間の形状や視覚的な要件に適合し、機械とのインターフェースも考慮した製品を作成できます。

テクノロジー

コンピュータマウスのCADモデル

もともと、CAD システム用のソフトウェアはFortranやALGOLなどのコンピュータ言語で開発されていましたが、オブジェクト指向プログラミング手法の進歩により状況は大きく変わりました。一般的な最新のパラメトリック フィーチャ ベース モデラーと自由曲面システムは、独自のAPIを備えたいくつかの主要なCモジュールを中心に構築されています。CAD システムは、グラフィカルユーザー インターフェイス(GUI) とNURBSジオメトリまたは境界表現(B-rep) データがジオメトリ モデリング カーネルを介してやり取りされることによって構築されると考えられます。スケッチ内のワイヤーフレーム ジオメトリやアセンブリ内のコンポーネントなどのジオメトリ間の関連関係を管理するために、ジオメトリ拘束エンジンを使用することもできます。

こうした連想関係の予期せぬ可能性により、デジタルプロトタイピングと呼ばれる新しい形態のプロトタイピングが生まれました。これは、設計段階から製造工程まで時間を要する物理的なプロトタイプとは対照的です。とはいえ、産業用CTスキャン装置を用いて物理的なプロトタイプをスキャンした後、コンピューターでCADモデルを生成することが可能です。事業の性質に応じて、具体的なニーズに応じて、デジタルプロトタイプと物理的なプロトタイプのどちらを最初に選択するかを選択できます。

現在、CADシステムは主要なプラットフォーム（Windows、Linux、UNIX、Mac OS X）すべてに存在し、いくつかのパッケージは複数のプラットフォームをサポートしています。[ 11 ]

現在、ほとんどのCADソフトウェアには特別なハードウェアは必要ありません。ただし、一部のCADシステムはグラフィック処理や計算処理を多用するタスクを実行するため、最新のグラフィックカード、高速（場合によってはマルチ）CPU、大容量のRAMが推奨される場合があります。

ヒューマンマシンインターフェースは、一般的にはコンピュータマウスを介して行われますが、ペンとデジタルグラフィックタブレットを使用することもできます。画面上のモデルの表示を操作するために、Spacemouse/SpaceBallを使用する場合もあります。一部のシステムでは、 3Dモデルを表示するための立体視グラスもサポートされています。かつては大規模な設備や特殊な用途に限定されていた技術が、幅広いユーザーに利用可能になっています。これには、CAVEやHMD 、モーションセンサー技術などのインタラクティブデバイスが含まれます。

ソフトウェア

CAD を使用して作業する製図者。(1992)

1960 年代半ばの IBM 製図システムに始まり、コンピュータ支援設計システムは、電子製図で手作業による製図を再現する以上の機能を提供するようになり、企業が CAD に切り替えるコストメリットが明らかになりました。ソフトウェアは、部品表の自動生成、集積回路の自動レイアウト、干渉チェックなど、今日ではコンピュータ システムで当然のこととなっている多くのタスクを自動化しました。最終的に、CAD は設計者に工学計算を行う機能を提供しました。[ 5 ]この移行期には、計算はまだ手作業か、コンピュータ プログラムを実行できる個人によって行われていました。CAD はエンジニアリング業界に革命的な変化をもたらし、それまで別々だった製図者、設計者、エンジニアの役割が統合され始めました。CAD は、コンピュータが業界に及ぼし始めた広範な影響の一例です。現在のコンピュータ支援設計ソフトウェア パッケージは、2Dベクターベースの製図システムから 3Dソリッドおよびサーフェス モデラーまで多岐にわたります。現代のCADパッケージでは、3次元での回転も頻繁に行われるため、設計されたオブジェクトを任意の角度から、内側から外側を見ることさえも可能になります。[ 5 ]一部のCADソフトウェアは、動的な数学的モデリングが可能です。[ 5 ]

CAD技術は、工具や機械の設計、また、小規模な住宅（住宅）から大規模な商業施設や産業施設（病院や工場）まで、あらゆる種類の建物の製図や設計に使用されています。[ 12 ]

CADは主に3Dモデルや物理部品の2D図面の詳細設計に使用されますが、製品の概念設計やレイアウト、アセンブリの強度解析や動的解析、部品の製造方法の定義など、エンジニアリングプロセス全体にわたって活用されます。また、宝飾品、家具、家電製品などの設計にも使用できます。さらに、多くのCADアプリケーションが高度なレンダリング機能やアニメーション機能を提供しており、エンジニアは製品設計をより視覚的に表現できます。4D BIMは、プロジェクト管理のために時間やスケジュールに関する情報を組み込んだ、仮想的な建設エンジニアリングシミュレーションの一種です。

CADは、コンピュータ支援技術の分野において特に重要な技術となり、製品開発コストの削減や設計サイクルの大幅な短縮といったメリットをもたらします。CADにより、設計者は画面上でレイアウトや作業を進め、それを印刷して保存し、後で編集できるため、図面作成にかかる時間を節約できます。

ライセンス管理ソフトウェア

2000年代には、CADシステムソフトウェアベンダーの中には、CADシステムを利用できるユーザー数や頻度を制御する専用のライセンスマネージャソフトウェアを同梱したディストリビューションを出荷するところもありました。[ 5 ]：166 これは、ローカルマシン（ローカルストレージデバイスからロード）またはローカルネットワークファイルサーバー上で実行することができ、後者の場合は通常特定のIPアドレスに関連付けられていました。[ 5 ]：166

ソフトウェアパッケージのリスト

CADソフトウェアは、エンジニアや建築家がパーソナルコンピュータシステムに統合されたグラフィカルユーザーインターフェース（GUI）内でエンジニアリングプロジェクトの設計、検査、管理を行うことを可能にします。ほとんどのアプリケーションは、境界表現（B-Rep）によるソリッドモデリングとNURBSジオメトリをサポートし、様々な形式で公開できます。

市場統計によると、Autodesk、Dassault Systèmes、Siemens PLM Software、PTCの商用ソフトウェアがCAD業界を支配しています。[ 13 ] [ 14 ]以下は、使用統計別にグループ化された主要なCADアプリケーションのリストです。[ 15 ]

商用ソフトウェア

オープンソースソフトウェア

フリーウェア

CADカーネル

参照

参考文献

  1. ^ a b Narayan, K. Lalit (2008).コンピュータ支援設計・製造. ニューデリー: Prentice Hall of India. ISBN 978-8120333420。
  2. ^ Duggal, Vijay (2000). Cadd Primer: A General Guide to Computer Aided Design and Drafting-Cadd, CAD . Mailmax Pub. ISBN 978-0962916595。
  3. ^マドセン、デイビッド・A. (2012). 『エンジニアリング・ドローイング＆デザイン』クリフトンパーク、ニューヨーク：デルマー、p. 10. ISBN 978-1111309572。
  4. ^ファリン, ジェラルド; ホシェック, ヨーゼフ; キム, ミョンス (2002).コンピュータ支援幾何設計ハンドブック [電子リソース] . エルゼビア. ISBN 978-0-444-51104-1。
  5. ^ a b c d e f Schoonmaker, Stephen J. (2003). 『CADガイドブック：コンピュータ支援設計の理解と改善のための基本マニュアル』ニューヨーク：Marcel Dekker. ISBN 0-8247-0871-7. OCLC  50868192 .
  6. ^ Pottmann, H.; Brell-Cokcan, S. and Wallner, J. (2007)「建築設計のための離散表面」Wayback Machineに2009年8月12日にアーカイブ、pp. 213–234 in Curve and Surface Design、Patrick Chenin、Tom Lyche、Larry L. Schumaker（編）、Nashboro Press、 ISBN 978-0-9728482-7-5。
  7. ^ Farin, Gerald (2002) Curves and Surfaces for CAGD: A Practical Guide Archived 2015-05-22 at the Wayback Machine , Morgan-Kaufmann, ISBN 1-55860-737-4。
  8. ^ 「コンピュータ支援設計（CAD）とコンピュータ支援製造（CAM）」 . Inc.com . 2023年12月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2020年4月30日閲覧。
  9. ^ 「3Dフィーチャベースのパラメトリックソリッドモデリング」EngineersHandbook.com。2012年11月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年3月1日閲覧。
  10. ^イアン・ストラウド、ヒルデガルド・ナギー（2011年）『ソリッドモデリングとCADシステム：CADシステムを生き抜く方法』ロンドン・ニューヨーク：シュプリンガー、ISBN 978-0-85729-259-9。
  11. ^ 「CADワークステーションとは？定義、用途、その他」 Computer Tech Reviews、2019年11月21日。2020年7月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2020年4月30日閲覧。
  12. ^ Jennifer Herron (2010). 「3Dモデルベースデザイン：定義を明確にする」 MCADCafe. 2013年5月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年3月11日閲覧。
  13. ^ CAD/CAE/PLMソフトウェア業界のビッグ6（2011年）Wayback Machineで2020年8月1日にアーカイブ、CAEWatch、2011年9月12日
  14. ^ van Kooten, Michel (2011年8月23日). 「GLOBAL SOFTWARE TOP 100 – EDITION 2011」 . Software Top 100. 2018年12月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年4月29日閲覧。
  15. ^機械系CADソフトウェア一覧Archived 2020-07-28 at the Wayback Machine , BeyondMech
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