التصميم بمعونة الحاسوب

[وردة المسااااء]

التصميم بمعونة الحاسوب


التصميم ومفهوماته
لا يوجد عملياً جانب من جوانب الحياة المعاصرة إلا ويخضع لعمل المهندسين، فالمباني التي نقطنها والتجهيزات التي نستخدمها والسيارات التي نتنقل بها والطرقات التي نسافر عليها كلها نواتج مباشرة للنشاط الهندسي القائم على إجرائية تصميم.
وتشتمل إجرائية التصميم على سلسلة من المراحل يتم فيها تهذيب التصميم تدريجياً حتى الوصول إلى وصف كامل للتصميم بهدف التصنيع أو البناء. ولا يقتصر التصميم على إحداث معلومة جديدة من قبل المصمم بصورة حدسية موجهة فحسب، بل ويشتمل أيضاً على التحليل وتقديم النتائج والمحاكاةsimulation والاستمثال optimization.
تعريف التصميم بمعونة الحاسوب ولمحة تاريخية عنه
التصميم بمعونة الحاسوبcomputer aided design (CAD) هو استخدام الحاسوب بعتادياته وبرمجياته من أجل تصميم وتطوير منتج ما. ويسمح نظام التصميم بمعونة الحاسوب بتمثيل ودراسة عمل منتج دون تصنيعه، كاختبار أو محاكاة سلوك محرك أو جناح طائرة. ويتألف نظام التصميم بمعونة الحاسوب من معالج وذاكرة مركزية من أجل تنفيذ البرامج وإجراء التحاليل، إضافةً إلى نظام بياني لإنشاء النماذج الرسومية وتعديلها على الشاشة وحفظها. كما توجد وحدات محيطية لإدخال المعلومات وأخرى للإخراج مثل الراسمة والطابعة. وتحتوي برامج التصميم بمعونة الحاسوب عادة مكتبات من أجل تسهيل عمليات الإدخال والتصميم.
وقد تغير معنى التصميم بمعونة الحاسوب عدة مرات. إذ كان، لمدة معينة، مرادفاً للتحليل البنيَوي باستخدام العناصر المنتهيةfinant element، ثم تحول الاهتمام إلى الرسم بمعونة الحاسوب (وهو أساس معظم أنظمة التصميم بمعونة الحاسوب التجارية المتوافرة). بعد ذلك تركز الاهتمام على معالجة السطوح الملساء الضرورية في صناعة السفن والسيارات. ثم اقترن التصميم بمعونة الحاسوب بتصميم الأشياء ثلاثية الأبعاد وذلك في العديد من فروع الهندسة الميكانيكية.
ويعود الفضل في وضع مبدأ التصميم بمعونة الحاسوب إلى أعمال كونز Coons في عام 1958 التي اقترح فيها الانتقال من الأداة المبرمجة آلياًautomatically arogrammed tool (APT) إلى برامج تصميم تتضمن وظائف بيانية تفاعلية. أما أول إشهار رسمي للتصميم بمعونة الحاسوب فيعود إلى مؤتمر سبرينغ جوينت Spring Joint الذي نظمه الاتحاد الأمريكي لجمعية معالجة المعلوماتAmerican Federation of Information Processing Society (AFIPS) في عام 1963 من خلال الأبحاث الثلاثة التي قدمها كل من لونز Loons وروس Ross وجونسون Johnson. وفي العام ذاته وضع سوترلاند Sutherland أحد رواد التصميم بمعونة الحاسوب برنامج تصميم خاص SKETCHPAD. ثم أعلنت شركة General Motors في عام 1964 عن تطوير النظام Design Augmented by Computer) DAC-1)الذي كان يُعنى بإنتاج نسخ مطبوعة من الرسومات أكثر من اهتمامه بالتقنيات البيانية التفاعلية. وفي عام 1965 أعلنت مختبرات بل Bell عن وضع نظام إظهار من بعد GRAPHIC 1 استُخدم لترتيب مكونات وأسلاك الدارات المطبوعة هندسياً، فكان التنفيذ المبكر لفكرة مهمة جداً وهي توزيع استطاعة المعالجة في التصميم بمعونة الحاسوب على محطات عمل تفاعلية محلية وحاسوب مضيف مركزي. وفي عام 1966 أعلن قسم المكونات في شركة IBM عن وضع نظام يساعد في تصميم نسيقات الدارات المطبوعة الهجينة، ووضع فريمان Freeman في عام 1967 خوارزمية لحل مشاكل الخطوط المخفية.
وجرى في النصف الأول من سبعينات القرن العشرين تطوير نظام الهندسة المدنية المتكامل Integrated Civil Engineering System (ICES)، وشهدت نظرية العناصر المنتهية والبرامج المرتبطة بها تطوراً هائلاً، كما أجريت بحوث عديدة في مجال إزالة الخطوط والسطوح المخفية. وفي عام 1972 بدأت جامعة روشيستر Rochester مشروع أتمتة الإنتاج فطورت نظامي النمذجة الهندسية PADL-1 وPADL-2.
ونشر شيسن Chasen في عام 1975 تحليلاً للفوائد الاقتصادية للبيانيّات الحاسوبية في أنظمة التصميم بمعونة الحاسوب، كما وضع إيستمان Eastman وصفاً لقاعدة معطيات للتصميم بمعونة الحاسوب.
ومع بداية الثمانينات من القرن العشرين انتشرت أنظمة التصميم بمعونة الحاسوب وصارت أداة قياسية في كل مكاتب التصميم.
دور التصميم بمعونة الحاسوب في إجرائية التصميم
يهدف التصميم بمعونة الحاسوب إلى إدخال الحاسوب في كل من النمذجة وتراسل التصاميم. وهناك طريقتان لذلك (تُستخدمان معاً على الأغلب) هما:
ـ على المستوى القاعدي، استخدام الحواسيب لأتمتة تلك المهام كإنتاج رسومات أو مخططات وتوليد قوائم بأجزاء التصميم.
ـ على مستوى متقدم، تقديم تقنيات جديدة تعطي المصمم أدوات محسنة لمساعدته في إجرائية التصميم.
ومن ثَم فإن أنظمة التصميم بمعونة الحاسوب ليست سوى برامج حاسوبية (كبيرة ومعقدة في الغالب) قد تستخدم عتاداً حسابياً متخصصاً. وتتضمن البرمجيات عادةً عدداً من العناصر أو الوظائف المختلفة التي تعالج بطرق متباينة المعطيات المخزنة في قاعدة معطيات.
تقنيات النمذجة الهندسية
ثمة ثلاث تمثيلات مستخدمة في النمذجة ثلاثية الأبعاد للهندسة في التصميم بمعونة الحاسوب، هي:
ـ نموذج الإطار السلكي wire-frame وهو تمثيل كائن ثلاثي الأبعاد باستخدام خطوط منفصلة تربط مجموعةً من الخطوط المتصلة لتشكيل نموذج.
ـ نموذج السطوح surface وهو طريقة إظهار تعطي التصميم الظاهر على الشاشة مظهر الصلابة.
ـ نموذج مجسّم solid وهو شكل أو بناء هندسي له استمرار في الطول والعرض والعمق، ويعامل برمجياً كأن له سطحاً ومادة في الداخل.
وقد سيطر عدد محدود من أنواع السطوح والمنحنيات في تقنيات النمذجة الهندسية، كمنحنيات وسطوح Bézier على سبيل المثال.
البيانيّات الحاسوبية
يقصد بالبيانيات الحاسوبية computer graphics إظهار صورٍ على شاشة الحاسوب، خلافاً لإظهار رموز رقمية وأبجدية فقط. وتشمل البيانيّات الحاسوبية طرائق مختلفة لتوليد المعلومات وعرضِها وتخزينها.
يمكن تصنيف طرق تحديد مميزات البيانيّات الحاسوبية في ثلاث مجموعات:
ـ تعرف الأولى درجة التحكم بالصورة التي يتمتع بها المستخدم. ففي البيانيّات الحاسوبية غير النَشِطة لا يتوافر للمستخدم أي تحكم، أما في البيانيّات الحاسوبية التفاعلية فيمكن للمستخدم التفاعل مع البيانيّات ومع البرامج المولِّدة لها.
ـ أما الثانية فتعنى بطريقة توليد الصورة. ففي البيانيّات المتجهية vector تحتوي الصورة على مجموعة من الخطوط، في حين تتضمن البيانيّات التسامتية raster التعامل مع لون وشدة النقاط التي تعرف باسم عناصر الصورة أو البكسلات pixels ضمن مصفوفة تُشكل الصورة.
ـ وتميز الفئة الثالثة بيانيّات الصورة ـ الفراغ التي تعالج فيها الصورة نفسها مباشرة، كما هي الحال في برنامج Microsoft Paintbrush مثلاً، من البيانيّات كائن ـ فراغ التي تكون فيها الصورة عبارة عن تمثيل لنموذج منفصل.
وقد سمح تطوير عتاد منخفض الكلفة لإظهار الصور البيانية والتفاعل مع المستخدم، إضافةً إلى التقنيات العديدة لتوليد ومعالجة البيانيّات ثنائية وثلاثية الأبعاد، بانتشار واسع لهذه التقانة وبالوصول إلى درجة عالية جداً من الواقعية المرئية في إظهار النموذج الهندسي.
المعايير
يعتبر تراسل التصميم ومعطيات التصنيع ضمن مؤسسة هندسية، بل بين المؤسسات المعنية بتصميم منتج ما، مسألة بالغة الأهمية في التصميم بمعونة الحاسوب والتصنيع بمعونة الحاسوب[ر]. وقد نجم عن التطويرات الأولية للتقانة عدد من الأنظمة البرمجية والأنواع العتادية غير المتوافقة فيما بينها. ومع أن الاختلاف في صيغة المعطيات وفي توصيف العتاد ونظم التشغيل قد سمحت بتطوير سريع لهذه التقانة، لكنه منع من استخدام ميزة مهمة هي الاتصال فيما بين الأنظمة المختلفة. كما كان له أثر في تقييد الشركات بأنظمة معينة، ومن ثَم تبلورت حاجة تعريف معايير standards لأنظمة التصميم بمعونة الحاسوب سواء للبيانيّات الحاسوبية أو لواجهات المستخدم أو لتبادل المعطيات الهندسية.
ومن بين معايير البيانيّات الحاسوبية، على سبيل المثال لا الحصر، نظام البيانيّات CORE الذي أدخلته رابطة مستخدمي الآلات الحاسوبيةAssociation for Computing Machinery (ACM) في عام 1977 ثم صقلته في عام 1979، وهو مجموعة من الأوامر المبرمجة للتحكم في بناء وإظهار الصور البيانية. وفي أوربة معيار آخر هو نظام النواة البيانية Graphics Kernel System (GKS) اعترف به معهد المعايير الوطني الأمريكي ANSI والمنظمة الدولية للتقييس ISO وهو يوصِّف طرائق وصف الصور البيانية ومعالجتها وتخزينها ونقلها. وقد طُور هذا النظام في عام 1978 ليشمل بيانيّات ببعدين، ثم وَسَّع التعديل الأخير GKS-3D المعيار إلى بيانيّات ثلاثية الأبعاد. أما المعيارProgrammer’s Hierarchical Interactive Graphics Standard (PHIGS) فهو مطور عن الاثنين السابقين ويجمع بين مزاياهما إضافةً إلى سمات إضافية. وهناك أيضاً الملف المترفِّع للبيانيات الحاسوبية Computer Graphics ,,,,file (CGM) وهو برمجيات قياسية تزود مبرمجي التطبيقات بوسائل قياسية لوصف شكل بياني كمجموعة من التعليمات لإعادة إنشائه.
وفيما يخص تبادل المعطيات كان أول عمل مهم هو إحداث التوصيف الأولي للتبادل البياني Initial Graphics Exchange Specification (IGES) في عام 1979 الذي دعمه المعهد الوطني الأمريكي للمعايير في عام 1981، وهو معيار صيغة ملف للبيانيات الحاسوبية يحتوي على طيف واسع من الأشكال الهندسية الأساسية. وفي فرنسة طورت شركة أيروسباسيال Aerospatiale معياراً خاصاً بها اعتمدته هيئة المقايس الفرنسية AFNOR وهو يستخدم نموذج معطيات مشابه للتوصيف الأولي للتبادل البياني إلا أن الصيغة أكثر تراصاً.
وأخيراً لابد من الإشارة إلى ملف تبادل المعطياتData Exchange File (DXF) الذي أثبت وجوده مع انتشار أنظمة التصميم بمعونة الحاسوب المحمولة على الحواسيب الشخصية، والذي يعتمد على الرماز القياسي الأمريكي لتبادل المعلومات البيني.
بعض تطبيقات التصميم بمعونة الحاسوب
أضحى التصميم بمعونة الحاسوب أداة شائعة الاستخدام في كل التطبيقات الهندسية والصناعية تقريباً. وقد شهدت برمجيات الرسم بمعونة الحاسوب تطوراً مذهلاً خاصة مع انتشار الحواسيب الشخصية، وتعتبر الحزمة البرمجية أوتوكاد AutoCAD التي طورتها شركة أوتودسك Autodesk Inc الحزمة البرمجية المفضلة منذ انطلاقتها في عام 1982، وتعرض عدة شركات منتجات منافسة.
1ـ الرسم الصناعي ثلاثي الأبعاد
ازدادت الوظائف والمهام التي تقدمها برامج التصميم الصناعي بصورة كبيرة منذ ظهور أولى الحزم البرمجية، وازداد أيضاً عدد منتجي برامج التصميم الهندسي والصناعي المبنية على الحواسيب الشخصية. وكان الإصدار الأول للحزمة البرمجية Mechanical Desktop v1.0 لشركة أوتودسك خياراً متاحاً مع برامج التصميم مثل أوتوكاد. ثم طرحت الشركة الإصدار الثاني منه والذي يتوافر ككتلة برمجية منفصلة على الرغم من كونه مدمجاً مع الإصدار 14 من برنامج أوتوكاد. ومن مزايا هذه البرمجية التحسينات التي أدخلت على واجهات العمل، إضافةً إلى إدراج نواة التصميم ACIS 3.0، وإنشاء رابطة شفافة بينه وبين برمجية Microsoft Excel من أجل إنشاء جداول وصف الأجزاء.
2ـ تصميم المنشآت المعدنية
أسهم انتشار أنظمة التصميم بمعونة الحاسوب الخاصة بأعمال المنشآت المعدنية في كسر احتكار الشركات الكبرى لهذا المجال، وبدأت معظم المكاتب الهندسية والشركات الصغيرة بالاعتماد على هذه الأنظمة بإنجاز الأعمال الإنشائية والهندسية والتحليل الإنشائي باستخدام العناصر المحدودة، التي تؤمن السرعة والدقة في التصميم وإنجاز المصورات والتفاصيل الإنشائية وفق مواصفات قياسية دولية معتمدة.
ومن بين هذه البرمجيات نظام STRUCAD من شركة Acecad الذي يعمل في بيئة ويندوز إن.تي Windows NT ويستخدم في مشاريع الصناعات البتروكيمياوية ومنصات النفط البحرية وغيرها. وتعتمد هذه الحزمة البرمجية على النمذجة المستوية والفراغية لتفصيلات الإنشاءات المعدنية، كما يقبل النماذج من ملفات تبادل المعطيات DXF في نظام أوتوكاد. وتسمح هذه البرمجية أيضاً بالربط مع حزم برمجية أخرى للتحليل الإنشائي والتصميم مثل STAAD-III وكذلك إخراج التفاصيل والرسومات المختلفة بوساطة طاقم التطبيقات المتعددة في نظام أوتوكاد.
3ـ التصميم المعماري
من بين البرمجيات المستخدمة في التصميمات المعمارية برمجية AutoCAD LT، وقد طُورت عنها نسخة هي Architect LT لشركة CADlogic Limited أسهمت في تجاوز العديد من المشكلات التصميمية السابقة وتحسين إنتاجية التصميم باحتوائها على الأدوات المساعدة للجدار والرموز الوسيطية التي تتيح للمستخدم تحكماً أفضل بالأبعاد المختلفة. كما أنها حسنت عمليات الرسم المجسم.
4ـ تصميم خدمات الأبنية
طورت شركة Hevacomp طاقم برمجيات متكامل لخدمات الأبنية يدعىMechanical & Electrical (ME) يغطي جميع متطلبات الأبنية من الأنابيب والتمديدات لأعمال التدفئة والتكييف والإنارة وتغذية المياه. وتتضمن هذه البرمجية وحدة لتصميم الأقنية تسمح بحساب أبعاد الأقنية آلياً ورسم مكوناتها بشكل مستو أو فراغي انطلاقاً من الخطوط التمثيلية التي يضعها المصمم. أما وحدة التدفئة فتسمح باختيار المشعات وتوضعها في الغرف وحساب الضياعات الحرارية إضافةً إلى رسم شبكة الأنابيب في المناسيب المختلفة للطوابق. وهناك أيضاً وحدة لتصميم شبكات الإنارة وأخرى لتصميم شبكات المياه.
5ـ تصميم الدارات الإلكترونية
دفعت الكلفة المرتفعة للبحث في مجال الدارات الإلكترونية وتصميمها واختبارها وإجراء التعديلات اللاحقة عليها، بالعديد من مصنعي التجهيزات الإلكترونية إلى استخدام برمجيات حاسوبية لمحاكاة أداء تصميم دارة إلكترونية قبل تصنعيها. وتتضمن عملية المحاكاة تحميل دارة موجودة على برمجية المحاكاة وإجراء تحليل لها ومن ثَم تعديلها.
ومن بين هذه البرمجيات البرمجية الشهيرةSimulation Program with Integrated Circuit Emphasis (SPICE) التي وضعتها جامعة كاليفورنية في بيركلي أوائل السبعينات من القرن العشرين، وقد طُورت تلك الحزمة البرمجية الأولية مراراً حتى غدت معياراً في تحليل الدارات.
وتتوافر اليوم للمصمم إمكانية تنفيذ الرسم التخطيطي schematic باستخدام حزمة برمجية للتصميم بمعونة الحاسوب ومن ثَم تحويلها إلى صيغة SPICE ثم تحليل المعطيات وإجراء التصحيح اللازم واستخراج مخطط توضعي layout لبطاقة الدارة. وتسمح هذه الإمكانيات المتكاملة للمصمم بتنفيذ تصميم تحليل ونموذج أولي لمنتج جديد بصورة سريعة.
وللحزم البرمجية المخصصة لتصميم الدارات بمعونة الحاسوب بتقانتي التكامل واسع النطاق Large-Scale integration (LSI) والتكامل واسع النطاق جداً VLSI، دور كبير في انتشارها، وخاصة مع ازدياد زمن الحساب وتعقيد التصميم. ومن بين أدوات التصميم تلك Automatic Placement and Routing of Gate Array (APROGA) من أجل أتمتة المخطط التوضعي لمصفوفة بوابات معدنية وحيدة، وكذلكHierarchical and Interaction Symbolic Layout for IC Design (HISLID) التي تعتمد على المخطط التوضعي الترميزي.
التوجهات والآفاق المستقبلية
على الرغم من الانتشار الواسع لأنظمة التصميم بمعونة الحاسوب وتطبيقها بنجاح في جميع جوانب الحياة المعاصرة، يرى بعضهم أن هذه الأنظمة لم تحل بعد كل احتياجات المصمم في عمله. وتُجرى أبحاث مكثفة لإيجاد تقانات معونة حاسوبية أكثر تطوراً وشمولاً، من بينها إدخال الذكاء الصنعي في التصميم والنمذجة الوسيطية والمتغيرة والنمذجة القائمة على الميزات وأنظمة المعلومات التصميمية.
كما يتم السعي لتطوير المعايير من أجل زيادة قدرة المصمم على تبديل ونقل المعطيات بين البرمجيات المختلفة عند الحاجة، وتبادل تلك المعطيات عبر العالم بوساطة الشبكات عالية السرعة إن اقتضى الأمر.
وتجدر الإشارة إلى أن التصميم بمعونة الحاسوب يُقرن عادةً مع التصنيع بمعونة الحاسوب، كما يغلب اليوم استخدام تعبير الهندسة بمعونة الحاسوب لإيجاز كل معونات الحاسوب في التصميم.

م | ن