CAD/CAMを使いこなす：必須テクノロジーの解説

コンピュータ支援設計とコンピュータ支援製造の基本概念

コンピュータ支援設計およびコンピュータ支援製造（CAD/CAM）は、コンピュータ科学および工学、計算数学、幾何学的モデリング、コンピュータグラフィックス表示、データ構造およびデータベース、シミュレーション、数値制御、ロボット工学、人工知能技術などの多様な分野と、製品設計および製造に関連する専門知識を統合した、包括的かつ技術的に複雑なシステム工学分野である。

これは、製品設計者や工程技術者が、コンピュータ・システムの支援を受けて、製品の設計・製造手順に沿って製品を設計・製造することを可能にする新技術である。

伝統的な技術とコンピューター技術の有機的な結合である。現在、CAD/CAM技術は航空宇宙、エレクトロニクス、機械製造分野で広く使われているだけでなく、アパレル、装飾、家具、靴製造などの分野にも徐々に拡大している。

製品の製造工程を見ると、機械加工を開始する前に、製図や3Dモデリング、工程設計を行うのが一般的である。したがって、CAD/CAMはさらにCAD/CAPP/CAMに細分化することができ、CAPP（Computer-Aided Process Planning）はCADとCAMをつなぐ橋渡しの役割を果たす。

1.コンピュータ支援設計 (CAD)

コンピュータ支援設計とは、エンジニアがコンピュータを補助ツールとして使用し、製品設計のアイデア出しや検証、製品全体の設計、技術設計、部品設計を行う、人間とコンピュータから構成されるシステムを指す。

部品の強度、剛性、熱、電気、磁気などの解析や計算、部品の製造情報（設計図面や数値制御加工情報など）の出力、技術文書や関連技術レポートの作成などが含まれる。その目的は、製品設計品質の向上、製品開発サイクルの短縮、製品コストの削減です。

CADシステムの主な機能には、スケッチデザイン、コンポーネントデザイン、アセンブリデザイン、複雑なサーフェスデザイン、エンジニアリングドローイング、エンジニアリング分析、リアリズムとレンダリング、データ交換インターフェースなどがある。

2.コンピュータ支援プロセス計画 (CAPP)

コンピュータ支援工程計画は、人間とコンピュータからなるシステムで、製品設計段階から提供される情報に基づいて、製品の加工方法と工程フローを対話的または自動的に決定する。

CAD/CAMが統合された環境では、プロセス設計者は通常、部品の加工プロセスを制御し、CADプロセスから提供される情報とCAMシステムの機能に基づいて加工条件をシミュレートし、それによって部品の加工プロセスを制御するための情報を生成することができます。

CAPPの基本的な機能には主に、ブランク設計、加工方法の選択、工程ルーティング、操作とステップの設計、工具と治具の設計が含まれる。

3.コンピュータ支援製造（CAM）

機械製造業において、コンピュータ支援製造とは、様々な数値制御工作機械や装置を通して、機械加工、組立、検査、梱包などの個別製品の製造工程を自動的に完了させるためにコンピュータを使用することを指す。CAMには広義のものと狭義のものがある。

広義には、CAMは、工程設計、治具設計、CNC自動プログラミング、生産ジョブ計画、生産管理、品質管理など、生産準備から製品製造までの活動を支援するコンピュータの使用を指す。狭義には、CAMは通常CNCプログラミングを指し、これには工具経路計画、刃物位置ファイル生成、工具軌跡シミュレーション、CNCコード生成が含まれる。

CAD/CAM研究のキーテクノロジー

CAD/CAMシステムのアーキテクチャは、基盤層、サポート層、アプリケーション層の3つに分けられる。基盤層は、コンピュータ、周辺機器、システムソフトウェアで構成され、各種サポートソフトウェア、システム開発用ツール、メンテナンス用ツールなどが含まれる。

サポート層には、CAD/CAMサポートソフトウェア、製品データ管理、グラフィック表示などが含まれる。インターネット/イントラネットの普及に伴い、CAD/CAM環境における分散協調設計・製造は、サポート層の重要な一部となりつつある。アプリケーション層は、様々なアプリケーション分野のニーズに応じて開発された様々なCAD/CAMアプリケーションシステムで構成されています。

1.統合技術

プロダクトデザインは、創造的な活動として、自然科学、技術科学、環境科学、人文科学の発展とともに、総合的な技術へと進化してきた。

CIMSのコンセプトは、製造業にシステムと情報の視点を導入することで生まれた。40年以上にわたるCAD/CAM技術の発展により、個々の技術（CAD、CAPP、CAM、PDM、ERPなど）は成熟し、それぞれの分野でますます重要な役割を果たしている。

しかし、これらの独立したサブシステムは、自動的に情報を伝達し、交換することができないため、サブシステム間で繰り返し作業が発生する。例えば、製品フィーチャ・モデルはCAPPで確立され、製品モデルはCAMシステムで再確立される必要がありますが、通常のCADモデルは主に図面生成と製品シミュレーションに使用されます。

統合とは通常、統一された製品データモデルとエンジニアリング・データベースに基づき、情報の伝達、応答、分析、フィードバックを可能にすることで、システムとモジュールをシームレスに統合することを指す。

2.インテリジェントテクノロジー

インテリジェント製造システムは、製造プロセスのあらゆる側面に人工知能を統合し、通常専門家が行う活動を代替または拡張する。インテリジェント製造システムでは、システムは人間の専門家の「知性」の一部を持っている。

例えば、システムは自動的に動作状態を監視し、外部環境に適応するようにパラメータを調整し、最適なパフォーマンスを確保することができる。インテリジェント製造システムの研究と応用は、人工知能技術の発展に大きく依存している。

3.ネットワーク技術

ネットワーク技術には、ハードウェアとソフトウェア、各種通信プロトコルと製造自動化プロトコル、通信インターフェース、システム運用制御戦略の実装が含まれる。様々な製造システムの自動化の基礎を形成する。

特に1990年代以降、インターネット/イントラネットの発展により、遠隔地での共同設計研究と応用のためのプラットフォームが提供され、CAD/CAM技術はネットワーク化に向けて発展してきた。この分野における現在の研究は、主に以下の側面に焦点を当てている：

1) インターネット/イントラネット環境下での遠隔共同設計プラットフォームの構築。

2）並列協調作業（協調的問題解決、協調作業メカニズム、管理制御を含む）の原理と実装技術。

3) 共同作業環境における製品モデリングの問題。

4) ネットワークベースの企業製造資源管理。

4.可視化技術

バーチャルリアリティ技術、マルチメディア技術、コンピュータシミュレーション技術を駆使し、製品設計・製造工程における幾何学シミュレーション、物理シミュレーション、製造工程シミュレーション、作業工程シミュレーションを実現。

様々な情報を保存、表現、処理するために様々なメディアが使用され、テキスト、音声、画像、アニメーションが統合され、現実感や没入感を与える。代表的なアプリケーションとしては、バーチャル・マニュファクチャリングやバーチャル・リアリティなどがある。具体的には以下のような側面に反映されている：

1) 科学計算結果データのデジタルおよびグラフィックによる動的表示。

2) 製品およびその部品の幾何学的シミュレーションと組立工程シミュレーション。

3) 製品性能の物理的・機械的シミュレーション。

4）没入感と操作性を与えるために、製品の作業工程をシミュレーションすること。

まとめると、製造工程における自動化の程度は、製造技術の進歩を示す主な指標のひとつであり、21世紀の現代製造技術において最も活発なリンクのひとつである。製造自動化の発展は、その柔軟性、統合性、敏捷性、インテリジェント性、グローバル性をもって、急速に変化する市場の要求に応えていくだろう。

わが国における製造自動化の発展は、国情に基づき、世界の先進レベルを目指し、競争力を向上させるものである。

人と機械を融合させる中程度の自動化技術を採用し、自動化度の高い設備（CNC工作機械、産業用ロボットなど）と自動化度の低い設備を効率的に整理し、人とコンピュータを重要なツールとする製造自動化システムを実現し、柔軟性、インテリジェント性、統合性、迅速な対応、迅速な再設定を実現している。

製造自動化技術は、わが国が強力に発展させなければならない重要な技術分野であることは明らかだ。