คอมพิวเตอร์ช่วยงานอุตสาหกรรม (CAD)

CAD

            CAD เป็นคำย่อมาจากคำว่า Computer Aided Design ซึ่งแปลตามศัพท์ได้ว่า การใช้คอมพิวเตอร์ช่วยออกแบบ แต่หลายท่านอาจเคยพบคำว่า CAD ซึ่งย่อมาจาก Computer Aided Design and Drafting คือ การใช้คอมพิวเตอร์ช่วยออกแบบและ เขียนแบบ คำย่อดังกล่าวนี้เป็นที่คุ้นเคยกับผู้ที่อยู่ในวงการวิศวกรรมทุกสาขา ทั้งนิสิต นักศึกษา ช่างเทคนิค วิศวกร ตลอดจน ผู้ประกอบการที่ต้องใช้เทคโนโลยีในการผลิต

             การใช้คอมพิวเตอร์ช่วยออกแบบและเขียนแบบ เกิดขึ้นกลางทศวรรษที่ 1950 เมื่อกองทัพอากาศสหรัฐฯ เริ่มต้นนำการแสดงผลแบบรูปภาพ(Graphic) มาใช้กับระบบ SAGE (Semi Automatic Ground Environment) ซึ่งเป็นการแสดงผลของเรดาร์ตรวจจับ โดยใช้จอภาพหลอดรังสีคาโทด ระบบนี้ได้รับการพัฒนาโดยห้องแลบลินคอร์น ณ สถาบันเทคโนโลยี MIT หลังจากนั้น ในปี ค.ศ. 1960 Ivan Sutherland ใช้คอมพิวเตอร์รุ่น TX-2 ที่ห้องแลบลินคอร์น ณ สถาบันเทคโนโลยี MIT เพื่อสร้างโครงการ SKETCHPAD ซึ่งถือเป็นก้าวแรกของวงการ CAD ในขณะเดียวกันก็มีการพัฒนาเกิดขึ้นที่ ITEK และ General Motors โครงการที่ ITEK มีชื่อว่า The Electronic Drafting Machine (เครื่องทำ drawing อิเล็กทรอนิกส์) โดยใช้คอมพิวเตอร์ PDP-1 ของ Digital Equipment Corp. ซึ่งมีการแสดงผลแบบเวคเตอร์(การเก็บข้อมูลกราฟฟิกโดยเก็บข้อมูลพิกัด) โดยใช้หน่วยความจำแบบดิสก์ขนาดใหญ่เพื่อทำการรีเฟรชภาพ และใช้ปากกาแสงเพื่อป้อนข้อมูล

          ซอฟต์แวร์ CAD ได้ถูกพัฒนาให้มีความสามารถมากยิ่งขึ้น ควบคู่ไปกับ ระบบคอมพิวเตอร์ ที่มีความเร็ว มากขึ้นเรื่อย ๆ จึงทำให้ผู้ใช้ซอฟต์แวร์ CAD ในปัจจุบัน ทำงานเขียนแบบและออกแบบ ได้ง่าย และรวดเร็ว ซอฟต์แวร์ CAD มีให้ผู้ใช้ได้เลือกใช้ไม่ว่าจะทำงานอยู่ในวงการใด ๆ

         เทคโนโลยีของซอฟต์แวร์ CAD ได้ถูกพัฒนาเริ่มจากการเป็นซอฟต์แวร์ช่วยเขียนแบบ 2 มิติ(Drawing) เสมือนเป็นกระดานเขียนแบบอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งจะมีคำสั่งในการใช้งานซึ่งผู้ใช้สามารถเรียกใช้คำสั่ง โดยการใช้เมาส์เลือกที่เมนูบนจอภาพ หรือการป้อนคำสั่งจากแป้นพิมพ์ ซอฟต์แวร์ CAD มีหลายกลุ่มคำสั่ง ได้แก่ คำสั่งในการวาดองค์ประกอบต่างๆ ได้แก่ เส้นตรง(Line), ส่วนโค้ง(Arc), วงกลม(Circle),วงรี(Ellipse), รูปเหลี่ยม(Polygon) เช่น สามเหลี่ยม, สี่เหลี่ยม และยังมีคำสั่งในการช่วยวาดองค์ประกอบเพิ่มเติม เช่น การสะท้อนให้เกิดภาพ (Mirror), การสำเนาองค์ประกอบที่มีอยู่(Copy) นอกจากนี้ยังมีคำสั่งในการแก้ไขสิ่งที่ได้วาดลงไปแล้ว ได้แก่ คำสั่งลบออก(Erase), ตัดบางส่วน (Trim), เคลื่อนย้าย(Move), หมุนภาพ(Rotate), การจัดองค์ประกอบต่างๆจำแนกอยู่ในชั้นต่างๆ(Layer) เพื่อความสะดวกในการทำงานเสมือน มี แบบหลายๆ แผ่นมาซ้อนทับกันอยู่ เช่น ในอาคารหนึ่งหลังจะมีทั้งแบบโครงสร้างแบบไฟฟ้า, แบบผนัง ฯลฯ ซึ่งเป็นกระดาษไข เมื่อต้องการใช้ก็จะนำมาทาบกับคำสั่งดังกล่าวที่ซอฟต์แวร์ CAD 2 มิติ มีให้นั้น ทำให้ผู้ใช้สะดวกและประหยัดทั้งเวลาและค่าใช้จ่าย คือเขียนแบบให้เสร็จในคอมพิวเตอร์ จากนั้นค่อยพลอตออกทางเครื่องพลอต(Plotter) ทำให้ประหยัดกระดาษ, ประหยัดเวลาที่จะต้องเขียนแบบใหม่หมดหากเกิดข้อผิดพลาด, ไม่ต้องใช้ใบมีดขูดแบบเพื่อลบเส้นที่ผิด แต่ด้วยการใช้ซอฟต์แวร์ CAD ที่เป็น 2 มิติ นี้ ผู้ใช้ยังคงต้องใช้จินตนาการและประสบการณ์ เพื่อวาดให้ได้แบบที่ถูกต้อง เช่น การวาดรูปด้านข้างของอาคารหรือของชิ้นส่วนที่มีความโค้งมน เหล่านี้ อาจทำให้แบบที่ออกมามีความผิดพลาดไป

            ซอฟต์แวร์ CAD อีกประเภทหนึ่งซึ่งเป็นซอฟต์แวร์ที่ใช้เทคโนโลยีในการพัฒนาสูงขึ้น คือ ซอฟต์แวร์ CAD ที่มีการทำงานในระบบ 3 มิติ ซึ่งจะมีคุณสมบัติพื้นฐาน คือ

            1.ออกแบบหรือสร้างแบบจำลอง ลักษณะ 3 มิติ คือ มีขนาดทั้งความกว้าง ความยาว และความสูง(ความหนา)

            2.หมุนดูได้ทุกมุมมองที่อยากดู

            3.สร้างแบบ(Drawing) 2 มิติหลังจากการเสร็จสิ้นออกแบบ เพื่อนำไปผลิต

            4.แก้ไขได้ทันทีที่ต้องการ

รูปแบบการแสดงข้อมูล 3 มิติ
            ในซอฟต์แวร์ CAD 3 มิติ มี 4 แบบ

            1. ข้อมูลแบบ Wireframe การแสดงผลแบบนี้มักจะพบในซอฟต์แวร์รุ่นเก่าๆ ซึ่งจะเก็บข้อมูลของแบบจำลองเฉพาะ เส้นขอบ(ทั้งเส้นตรงและเส้นโค้ง) และพิกัดของจุด การแสดงผลแบบนี้ทำได้รวดเร็ว แต่ภาพที่ได้จะดูค่อนข้างยาก ว่าแสดงผลอยู่ในมุมมองใด

            2. ข้อมูลแบบ Surface การแสดงผลแบบนี้จะคล้ายกับการนำผืนผ้าสี่เหลี่ยมซึ่งถือเป็น 1 ผิวหน้า(face)มาเย็บต่อ ๆ กัน จะได้เป็นพื้นผิว(surface) บาง คล้ายเปลือกนอก การเก็บข้อมูลแบบนี้จะเก็บข้อมูล เส้นขอบ พิกัดของจุด และข้อมูลของขอบผิวที่ติดกัน

            3. Constructive solid geometry(CSG) ข้อมูลแบบจำลอง 3 มิติ แบบนี้จะถูกเก็บในลักษณะของ ลำดับของการนำรูปทรงตันพื้นฐาน(Solid Primitives) เช่น ก้อนลูกบาศก์, ลูกกลม, ทรงกระบอก, ลิ่ม, ปิรามิด ฯลฯ มาสร้างความสัมพันธ์กันด้วย Boolean Operator เช่น union(รวมกัน), subtract(ลบออก), intersection(เฉพาะส่วนที่ซ้อนทับกัน) และ difference(เฉพาะส่วนที่ไม่ทับกัน) เพื่อให้ได้รูปทรงที่ต้องการ รูปทรงที่ใช้วิธีนี้สร้างจะมีความถูกต้องสูง เนื่องจากใช้วิธีการทำ Boolean Operation เท่านั้นซึ่งเป็นวิธีที่ธรรมดาและโครงสร้างของข้อมูลก็ไม่ซับซ้อน

            4.Boundary representation(B-Rep) ข้อมูลแบบจำลอง 3 มิติแบบนี้ จะเก็บข้อมูลของพื้นผิวรอบนอกของทรงตันที่เชื่อมติดต่อกัน ซึ่งมีข้อมูลของ พื้นผิว(face), ขอบ(edge), จุดมุมของพื้นผิว(vertex) และความสัมพันธ์ของข้อมูลทั้งสาม

ข้อมูลแบบ B-rep แบ่งได้เป็น 3 ระดับ

            1. facetted เป็น Solid ที่ ถูกปิดล้อมด้วย Planar surface

            2. elementary เป็น Solid ที่ ถูกปิดล้อมด้วย planar, quadric, หรือ toroidal surface

            3. advanced เป็น Solid ที่ ถูกปิดล้อมด้วย planar, quadric, toroidal surface รวมถึง spline surface (สร้างจาก B-Spline, Bzier, NURBS )

ตัวอย่างรายชื่อซอฟต์แวร์ CAD ที่มีให้เลือกใช้ในวงการต่าง ๆ ดังต่อไปนี้

• วงการสถาปัตยกรรม AutoDesk Architectural Desktop, Microstation J, Arris ฯลฯ
• วงการโยธา AutoDesk Land Survey, MX ฯลฯ
• วงการก่อสร้างโรงงาน AutoPLANT Piping, Xsteel , CADWorx ฯลฯ
• วงการเครื่องจักรกล CATIA, I-Deas, Inventor, Pro/Engineer, SolidEdge, SolidWorks, Unigraphics ฯลฯ
• วงการอัญมณี JewelCAD ฯลฯ
• วงการแผนที่ ESRI, AutoCAD MAP ฯลฯ