CAD

CAD (анг. computer-aided design) монг. компьютерын тусламжтай зураг эсвэл компьютерын тусламжтай зохион бүтээх гэдэг нь ямар нэг бүтээгдэхүүнийг цахим мэдээллийн боловсруулалтыг (ЦМБ) ашиглан зохион бүтээхийг хэлнэ.[1][2] Анхандаа CAD гэдэг нэршлийг хэрэглэхдээ компьютерыг туслах материал болгон техникийн зураг зурахыг хэлдэг байв. Өнөөдөр CAD-хэрэглээний программуудын мэргэжилтний систем нь техникийн зохион бүтээх шийдэл гаргахад хэрэглэгдэж байна. Өнөө үед бараг бүх CAD-хэрэглээний программуудад 3 дахь хавтгай (3D - огторгуй) нэмэгдсэн. Тиймээс CAD-г мөн огторгуйн биетийн хийсвэр загварыг компьютерын туслалцаатай гаргах сургалт ч хэмээн нэрлэдэг. Энэ загвараас техникийн зургаа хөрвүүлэн гаргаж авдаг. Үүний давуу тал бэлэн болсон 3D загвараа техникийн зураг болгон хөрвүүлэхдээ дурын хавтгайд олон дахин давтан проекцлох боломж юм.[3][4] CAD-н хэрэглээ нь техникийн ихэнх салбарт хэрэглэж байна. Үүнд: архитектор, барилгын инженерийн салбар, механик инженерийн салбар, цахилгаан техник гэх мэт мэргэжлийн салбар болон эдгээрийн хослолоос эхлэн бүр шүдний эмчилгээний техник хүртэл орно.

Tехникийн үндэс

CAD техникийн зураг: 2D-CAD

CAD бол анх техникийн зураг зураx туслах хэрэгсэл байсан. Техникийн объектыг зөвхөн компьютерын туслацаатай зурах биш харин 3-тэнхлэг бүхий хавтгайд биетийн загварыг гарган, 2D-г нэмэлт техникийн зураг зурах зориулалттайгаар хэрэглэх болсон.

2D-CAD-системийн тусламжтайгаар зураг зурах процесс нь яг л гараар зурахтай адил биетийн харагдац болон зүсэлтийг л хийдэг бөгөөд ялгаа нь орон зайн хувьд сунасан буюу хязгаарлагдахгүй зурах боломжтой.

Урьд нь гараар зурдаг байсан янз бүрийн техникийн зургийн зурааснууд CAD-системд мөн үндсэн элемент болон хэрэглэгддэг. Үүнээс "урьдчилан" бэлдсэн системийн суурь объектууд болох шулуун, тойрог, эллипс, поли шулуун (олон өөр өөр чиглэлтэй шулууны нийлэмж), сплайн зэрэг бүрдэнэ. Эдгээр объектуудын дотоод дүрслэл нь вектор чиглэлд суурилдаг учир тэдгээрийн зөвхөн параметр л хадгалагдана (жишээ нь нэг шулууны зөвхөн 2 төгсгөлийн цэг эсвэл тойргийн төв цэг болон радиус).[5][6][7] Энэ маягаар компьютерын хадгалаx багтаамжийн хэрэглээг бага байлгадаг (пиxелграфикаас яг эсрэгээр гэсэн үг). Тиймээс объект маш бага мэдээллийн сангаас (анг. ''Date'') бүрдэнэ.

Объектед мөн өнгө, зураасны төрөл болон зураасны өргөн гэх мэтийг сонгон нэмэх боломжтой. Техникийн зургийг CAD-р зурах явцад зурах багаж гэж нэрлэгдэx хэрэгслээр зургийг өөрчлөх, хэмжилт хийх эсвэл бичиглэх зэрэг нь гараар зураг зурахтай бараг л адил. Багажнууд нь объектийг үүсгэх, байршуулах, өөрчлөx болон устгах, туслах шулуун ашиглан зурах, тодорхойлсон цэгүүдийг олох (жишээ нь шулууны эхлэл болон төгсгөлийн цэг эсвэл шулууны төв цэг, тойргийн төв цэг, радиус г.м.), перпендикуляр шулуун зурах, тангент болон зүсэлтийн талбайн тэмдэглэгээ зураас гэх мэтийг зурахад хялбарчлах боломжуудыг олгодог. Зургийн нарийвчлалын хэмжээс өндөртэй (жишээ нь 0,0001 нарийвчлалтай) учир сонгодог зураг аргаас (гараар зураx) давуу талтай. Тодорхой шулуун шууд бусаар зурсан тохиолдолд түүний хэмжээсийг тооцон олох шаардлагагүй харин техникийн зургаас шууд харах боломжтой.

Дүрслэлийн стандарт болон давтагдах хэсгийг бэлэн загварын санд (''библиотек'') оруулж болох ба тэндээс шууд татан авч хэрэглэх буюу нэмж оруулах боломжтой. Хэсэгчилсэн томруулалт (zoom) хийн дүрслэx боломжтой бөгөөд энэ нь дэлгэцийн бага нягтралд (1600x1200 пиксел нь CAD-хэрэглээнд бага нягтралд орно) ямар нэг сөрөг нөлөө байхгүй.

Техникийн зураг:  2½D-CAD

Орон зайд биетийг зураасаар дүрслэн харуулж болно. Ийм зураасыг жишээ нь квадратын ирмэг гэж нэрлэнэ. Гэхдээ биетийг илүү сайн тодорхойлон харуулахын тулд эзэлхүүн болон гадаргуугийн талбай мөн физик шинж чанарууд хэрэгтэй. Эдгээр шинж чанарыг агуулаагүй зурагдсан зургийг ихэвчлэн 2½D-загвар гэж нэрлэдэг. Жишээ нь квадрат зурахдаа зөвхөн ирмэгийн зураас ашиглан зурах, түүнд ямар нэг гадаргуугийн талбай байхгүй, дотор тал нь хоосон хөндий зураг гэсэн үг. Шулууныг тодорхойлоxдоо биегүй, гэхдээ утас гэж нэрлэж болно. Тиймээс энэ төрлийн энгийн зураx CAD-загварчлалын аргыг шугаман- эсвэл ирмэгийн загвар гэхээс гадна утсан загвар (анг. ''wireframе'') ч гэж нэрлэдэг.

3D-CAD

Гагнаасын бүдүүвч зураг:
Опел Астра-кароссери

3D-CAD-аар зурсан зураг нь хавтгайд (2D CAD) эсвэл орон зайд зурсан (2½D CAD) зургуудтай харьцуулахад харьцангуй өндөр шаардлага тавигддаг. Компьютерт эхлээд огторгуйд хийсвэр загвараа үүсгэнэ. Ингэхдээ зөвхөн геометрийн шинж чанараас гадна физик шинж чанарыг оруулаx шаардлагатай. Геометрийн дүрслэлийг ''эзэлхүүний загвар'' (анг. ''Volumenmodell'') гэх ба үүнд физик шинж чанар болох нягт, уян харимхайн коэффициент, зөвшөөрөгдөх хэлбэржилт- болон бутралын хүчдэл, дулаан болон цахилгаан дамжуулаx чадвар, дулааны суналтын коэффициент болон бусад шинж чанарыг тодорхойлж өгсөний дараа ''биет-загвар'' гэж нэрлэдэг.

Биет загвар нь мөн бүтэц бүхий гадаргуугийн хавтгай болон харагдах шинж чанаруудыг агуулна. Ийм тодорхой тогтоож өгсөн биет загвар нь хийсвэрээр жигнэх, уян харимхай, хатуулаг болон дулааны өөрчлөлтөөр хувирах боломжтой. Түүний материалын шинж чанарыг тогтоож өгсөнөөр төгсгөлөг элементийн программаар (анг. ''Finite-Element-Programm'') хэлбэржилт болон бутралыг судлан шинжлэх боломжтой. Хэлбэржилт болон бутралыг гэрэлтүүлэх буюу өнгөөр илэрхийлэн шинж чанарыг судлан тогтоож болно.

Загварчлалын хөгжил

Загвар гаргах арга барил

Зарчим	Тодорхойлолт
Ирмэг загвар / Утсан загвар	Биетийн ирмэгийг математикийн аргаар утсан-загвар байдлаар дүрсэлдэг. Хэмжээ томтой талбайд харагдах хавтгай тотолжсон утас хэлбэрийг үүсгэнэ. Хийсвэрээр тухайн биетийн ирмэг буюу тулгуур утсан холбоосууд дээр торон хийц буюу даавуугаар бүтээсэн гэж сэтгэвэл тухайн биетийн гадаргуугийн талбайг дүрсэлж болно.
Хавтгайн загвар	Биетийн хязгаарлагдаx хавтгайнуудыг математикийн аргаар дүрслэн гаргадаг. Үүн дээр нэмэгдэн тухайн хавтгайн бүтцийг хадгална жишээ нь ямар хавтгай ямар өөр хавтгайтай хиллэж байна гэх мэт.
Эзэлхүүний загвар	Биетийн тодорхойлогдсон талбайгаас гадна аль талд нь ямар талбай болон матер оршиж байгаа (ямар нэг талбай нь тухайн нийт эзэлхүүнд тодорхой хязгаарлах талбайгаар хязгаарлагдан оршдог) талаарx мэдээллийг хадгалдаг. Эзэлхүүн гэсэн тодорхойлолтод тухайн биетийг нэвтрэн гарах эзэлхүүн болон дүрсэлсэн биетийн өөрийн эзэлхүүнээр тодорхойлогдоно.
Биетийн загвар	Эзэлхүүний загвар дээр нэмэлт материал болон гадаргуугийн бүтцийн талаар мэдээлэлтэй бол биет загвар болно. Тэгэхээр биет-загвар нь ирмэгүүд, талбайнууд болон эдгээрт хамаарах эзэлхүүн бүхий геометрийн бус мэдээллүүдээс бүрдэнэ. Ийм загварууд нь физикийн загварчлалын (анг. simulation) үндэс болох бөгөөд орчин үеийн бүхий л CAD-програмын багцад модул болон багтсан байдаг.
Параметрийн моделл	Энэ тохиолдолд тухайн геометр объектууд нь түүний бүрэлдэхүүн хэсэг болох цэг, шулуунууд, муруй, эзэлхүүн, биет болон талбай нь хоорондоо тодорхой нөхцөл биелүүлэн түүнийхээ дагуу хоорондоо хамааралтайгаар харилцаанд орохыг параметрийн загвар гэдэг. Ингэснээр моделл нь өөрөө параметр хамааралд орох буюу өөр нэг биетийн параметр өгөгдлийн дагуу мөн өөрчлөгдөх боломжтой гэсэн үг. Жишээ нь ганцхан шураг зураад түүний бүрдүүлж бүх геометрийн бүрэлдхүүн хэсгийг ганцхан эрээсний диаметрээс хамааралтай болгон параметр бичээд тухайн шурагийг том жижиг хэмжээтэйгээр үүсгэх боломжтой. Энэ нь цаг хэмнэх, хадгалах зайг бууруулахаас гадна стандарт эд ангийн санг бий болгон түүнээс хэрэгтэй эд ангиа түргэн шуурхай авч хэрэглэх боломжуудыг олгодог. Параметр-моделлийн бас нэг чухал шаардлага нь хийсэн хийцээ шинээр өөр хэмжээтэй хийх боломжийг маш түргэн хугацаанд шалгах боломж юм. Үүний тулд тухайн биетийн параметрийг алдаагүй сайн бодож төлөвлөсөн байх нь хэрэглэгчийн буюу зохион бүтээгч инженерээс шууд хамааралтай.
Хийцийн түүхтэй параметрийн загвар	Зохион бүтээх явцад тухайн объектыг үүсгэх олон алхам (нэгтгэх, зүсэх г.м.) болон геометрийн үндсэн элемент квадрат, цилиндр, конусаас гарган авдаг. Энэ бүх алхмууд нь тухайн биетийг зурсан түүх болон хадгалагдаж үлддэг. Үүнийг загварчлал гэдэг. Ийм загварчлалын ашигтай тал нь өөрчлөлт хийхэд уян хатан учир тухайн нэг алхамд буцан очиж засвар хийх боломжтой. Мөн энэ маягаар нэг хийцэд ганц хоёрхон өөрчлөлт хийн эцсийн бүтээгдэхүүний олон өөр вариантыг гаргах боломжтой бөгөөд энэ нь тухайн CAD-систем болон түүний зохион бүтээсэн логикоос ихээхэн хамааралтай.

CAD-Программ

CAD-программууд нь хэрэглээ болон түүнийг хэрэглэх үйлдлийн системээс хамааран маш олон төрөл байдаг. 

Механик хийц

Mеханикийн CAD-Программуудыг дараах салбаруудад хэрэглэдэг:

• Барилга
• Архитектор (CAAD)
• Модон хийцийн үйлдвэрлэл
• Инженерчлэл
• Түүхэн хийцийг сэргээн засварлах
• Хот байгуулалт
• Усны инженерчлэл
• Зам тээврийн инженерийн сүлжээ
• Хэмжих техник
• Бүтээгдхүүний дизайн
• Мод, модон бүтээгдхүүн
• Машин үйлдвэрлэлийн инженер
• Үйлдвэрийн байгууламжийн үйлдвэрлэл
• Автомашин үйлдвэрлэл
• Онгоцны үйлдвэрлэл
• Хэвний үйлдвэрлэл болон багаж хэрэгслийн үйлдвэрлэл
• Баглаа, боодлын үйлдвэрлэл болон нүхлэх хэвний үйлдвэрлэл
• Хөтлөх техник
• Гидравлик хэлхээний схем
• Xийн урсгалын (пневматик) хэлхээний схем
• Механик симуляц мөн төгсгөлөг-элементийн-аргыг (FEM) үзнэ үү
• Цахилгаан техникийн хэлхээний схем
• Усан онгоцны үйлдвэрлэл
• Шүдний эмнэлгийн техник
• Гоёл чимэглэл болон хувцас дизайны үйлдвэрлэл

Цахилгааны холболт

Дараагийн нэг хэрэглээний салбар бол цахилгаан холболт юм. Хамаарах программууд нь ихэвчлэн еCAD буюу EDA гэсэн нэр томьёонд харьяалагдана. Ялангуяа электроникийн ялтас, дамжуулагч эх хавтан, суурилуулалтын техник болон микросистем техник ихээр хэрэглэдэг.

Файлын формат

Системээс хамааран мэдээлэл солилцоход бүх мэдээллийг дамжуулах боломжгүй. Цэвэр техникийн зургийн хувьд асуудал байхгүй боловч бичиглэл, хэмжээс, зүсэлтийн талбайн тэмдэглээ болон нарийн хийцтэй дүрслэлийн солилцоо хүндрэлтэй, яагаад гэвэл нэгдсэн стандарт байхгүй учир. Аж үйлдвэрлэлийн салбаруудын хооронд ч ихээхэн ялгаатай учир түүнийг нэгтгэсэн стандарт гаргах ихэд хүндрэлтэй байдаг. 

Ихэнх зургийн программ өөрийн гэсэн файлын өргөтгөлтэй байдаг. Тиймээс өөр өөр төрлийн CAD-программын хооронд файл солилцоход байнга асуудал дагалддаг. Зургийн файл солилцох, баримт болгон архивлах зэрэгт ихэнхдээ DXF гэсэн форматыг хэрэглэх ба энэ нь дэлхийн зах зээлд тэргүүлэгч Autodesk-н хэрэглэдэг формат юм. Файлуудын форматыг хооронд нь CAD-саармаг систем болон CAD-тусгай системийн гэж ангилдаг. CAD-саармаг системийн файлын форматад VDAFS, IGES, SAT, IFC, STEP болон онцгой хэрэглээний STL-интерфейс зэрэг орно. Файлын форматын тайлбар:

• DXF-формат нь техникийн зураг мэдээллийн сан солилцоонд хэрэглэх ба энэ нь бүх CAD-системд хэрэглэж болох цорын ганц формат учир аж үйлдвэрийн стандарт болгон хэрэглэдэг.
• DWF (анг. Design Web Format) формат нь Autodesk-ээс анх интернэтээр мэдээлэл солилцоход зориулан гаргасан хэдий ч энэ нь төдийлэн өргөн хүрээнд хэрэглэгдэж чадаагүй.
• VDA-FS - талбайн мэдээлэл солилцооны формат, германы автомашин үйлдвэрлэгчдийн холбооноос (герм. Verband Deutscher Automobilbauer'') гаргасан формат ба энэ салбартаа үндсэндээ стандарт формат байсан.
• IGES - 2D болон 3D (гадаргуу) файлын солилцооны формат бөгөөд ихэнх CAD-хэрэглээнд мэдээлэл солилцооны форматаар ашиглаж байна.
• STL - Гурвалжингийн талууд дээр суурилсан загварууд. Ихэвчлэн Rapid Prototyping системийн мэдээлэл солилцоонд хэрэглэдэг.
• STEP - Стандартчилагдсан файлын солилцооны формат ба олон улсын хооронд мэдээллийн солилцоо хийхэд зориулан хөгжүүлсэн. STEP формат нь геометр мэдээлэлд хамгийн тохирсон формат юм. Түүгээр ч зогсохгүй өнгө, эд ангийн нийлэмжийн бүтэц, харагдацууд болон загварын шинж чанаруудыг (Attribut) дамжуулан өгөх чадвартай. Гэхдээ техникийн зураг дамжуулах процесст л ашиглах зохистой.
• VRML97 - ISO/IEC 14772 нь анх интернэтэд зориулан 3D-Стандарт болгон хөгжүүлсэн. Ихэнх 3D-загварчлалын багаж нь VRML-файлын импорт болон экспортыг хийх боломжтой.

Tүүх

"Computer-Aided Design" гэдэг нэр томьёолол анх 1950-д оны сүүлээр программчлах системтэй (АПТ=автомат программчлалын багаж) холбоотойгоор бий болсон. Энэхүү программ нь тооцоолуурын тусламжтай NC-Машины (анг. ''numerical control'') программ бичихэд зориулагдсан байв.

Эх сурвалж

1. Günter Spur, Frank-Lothar Krause: CAD-Technik. Lehr- und Arbeitsbuch für die Rechnerunterstützung in Konstruktion und Arbeitsplanung. Hanser, München / Wien 1984, ISBN 3-446-13897-8, S. 16.
2. Sandor Vajna, Christian Weber, Helmut Bley, Klaus Zeman: CAx für Ingenieure. Eine praxisbezogene Einführung. Springer, Berlin / Heidelberg 2009, ISBN 978-3-540-36038-4, S. 1.
3. Gerhard Pahl: Konstruieren mit 3D-CAD Systemen. Grundlagen, Arbeitstechnik, Anwendungen Springer, Berlin / Heidelberg 1990, ISBN 3-540-52234-4, S. 5.
4. IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr (Hrsg.): Virtuelle Produktentwicklung. Vogel, Würzburg 2013, ISBN 978-3-8343-3106-9, S. 24.
5. Siegmar Haasis: Integrierte CAD-Anwendungen. Rationalisierungspotenziale und zukünftige Einsatzgebiete. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 1995, ISBN 3-540-59145-1, S. 2.
6. Günter Spur, Frank-Lothar Krause: Das virtuelle Produkt. Management der CAD-Technik. Hanser-Verlag, München / Wien 1997, ISBN 3-446-19176-3, S. 434.
7. Gerhard Pahl: Konstruieren mit 3D-CAD-Systemen. Grundlagen, Arbeitstechnik, Anwendungen. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg, 1990, ISBN 3-540-52234-4, S. 7.