Bài giảng CAD ứng dụng trong thiết kế ô tô - Chương 2: Vai trò của CAD - Nguyễn Lê Duy Khải

 CHƯƠNG 2
VAI TRÒ CỦA CAD
 TS. Nguyễn Lê Duy Khải
 nldkhai@yahoo.com
 0168.960.8039
 ĐH BÁCH KHOA TPHCM
 -2017 -
Nội dung
 1. Lợi ích của CAD
 2. Phần mềm trong CAD
 3. Mô hình hình học trong CAD
 1. Lợi ích của CAD
1. Tăng năng suất thiết kế.
 2. Thời gian chu kỳ sản xuất ngắn hơn.
 1. Lợi ích của CAD
3. Phân tích kỹ thuật nhanh hơn.
 4. Thiết kế ít lỗi hơn.
 5. Tiêu chuẩn hoá thiết kế, lên bản vẽ, lập tài liệu.
 1. Lợi ích của CAD
6. Bản vẽ rõ ràng, đẹp, dễ đọc và dễ hiểu.
7. Nhanh chóng chuyển đổi các thủ tục thiết kế.
 8. Đem lại nhiều lợi ích trong chế tạo.
1. Lợi ích của CAD
 1. Lợi ích của CAD
Khuyết điểm của CAD:
 1. Thời gian và chi phí cho việc triển khai một hệ CAD là lớn.
 2. Thời gian và chi phí cho việc đào tạo người dùng CAD lớn. Tuy nhiên 
 hiện nay nhờ nguồn tài liệu phong phú trên mạng Internet và các diễn 
 đàn thảo luận mở nên cũng có phần dễ dàng hơn chút.
 3. Chi phí bảo trì cho phần mềm CAD.
 4. Thời gian và chi phí cho việc chuyển các bản vẽ cũ vẽ bằng tay sang 
 CAD cũng không nhỏ.
 2. Phần mềm trong CAD
a. Phần mềm đồ hoạ: là tập hợp các chương trình để người dùng thao tác 
trên hệ thống đồ hoạ máy tính. Nó bao gồm các chương trình tạo ra hình 
ảnh trên màn hình, xử lý hình ảnh và thực hiện tương tác giữa người 
dùng và hệ thống.
 2. Phần mềm trong CAD
b. Các yêu cầu cơ bản phần mềm CAD:
 1. Tính đơn giản: 
 + Dễ sử dụng.
 + Hoạt động với các hệ điều hành tiêu chuẩn.
 + Giao diện người dùng tốt.
 2. Tính chắc chắn: 
 + Hoạt động một cách chắc chắn.
 + Các đối tượng vẽ không bị thay đổi hay mất đi do các yếu tố khác.
 + Có tính gợi ý cho người dùng.
 3. Tính đầy đủ: 
 + Có đầy đủ các chức năng đồ hoạ
 + Có tài liệu hướng dẫn khoa học, hợp lý, dễ hiểu.
 2. Phần mềm trong CAD
4. Tính thực thi: 
 + Tốc độ đáp ứng nhanh chóng, chắc chắn.
5. Tính mềm dẻo: 
 + Hệ thống dễ dàng bỏ qua lỗi người dùng.
 + Dễ dàng chuyển đổi giữa các chế độ vẽ.
 + Cho phép thực hiện lại các lệnh sai sót.
6. Tính kinh tế: 
 + Chương trình không quá lớn, chiếm nhiều tài nguyên máy tính.
 + Giá thành phù hợp.
 2. Phần mềm trong CAD
c. Cấu hình phần mềm hệ thống đồ hoạ
2. Phần mềm trong CAD
 Cấu hình phần mềm đồ hoạ
 Ba mô đun chính:
 + Mô đun đồ hoạ
 + Mô đun ứng dụng
 + Mô đun cơ sở dữ liệu
2. Phần mềm trong CAD
2. Phần mềm trong CAD
2. Phần mềm trong CAD
 2. Phần mềm trong CAD
d. Các chức năng của mô đun đồ hoạ
2. Phần mềm trong CAD
2. Phần mềm trong CAD
2. Phần mềm trong CAD
 2. Phần mềm trong CAD
e. Mô đun cơ sở dữ liệu (database)
2. Phần mềm trong CAD
 3. Mô hình hình học trong CAD
 a. Khái niệm:
Mô hình hình học (Geometry Model) của một đối tượng vẽ và thiết kế là khái
niệm được đặc trưng bởi:
- Hình dáng hình học các phần cấu thành nên đối tượng vẽ.
- Hình thái cấu trúc hợp thành của đối tượng vẽ.
- Mô tả bằng toán học các điểm, đường, bề mặt, khối của đối tượng vẽ.
Như vậy, mục đích bao trùm của mô hình hình học là thiết lập cơ sở dữ liệu
hình học của đối tượng vẽ và thiết kế. Nhờ đó có thể thực hiện được quá trình
vẽ và thiết kế đối tượng trên máy tính.
3. Mô hình hình học trong CAD
 b. Mô hình 2D:
3. Mô hình hình học trong CAD
3. Mô hình hình học trong CAD
3. Mô hình hình học trong CAD
3. Mô hình hình học trong CAD
3. Mô hình hình học trong CAD
 c. Mô hình 3D:
3. Mô hình hình học trong CAD
 3. Mô hình hình học trong CAD
A. MÔ HÌNH KHUNG DÂY
 Đặc điểm trong cách xây dựng mô hình
 - Mô hình khung dây của đối tượng tạo bởi các yếu tố hình học cơ
 bản là: điểm, đường thẳng, cung tròn, đường tròn, đường cong.
 - Chỉ thể hiện bộ khung bên ngoài của đối tượng.
 - Vị trí của đối tượng và các yếu tố cơ bản được xác định nhờ một hệ
 tọa độ.
 - Cơ sở dữ liệu xác định mô hình khung dây là: Danh sách tọa độ các
 đỉnh (các điểm nút) và danh sách từng mặt với các đỉnh của nó.
 3. Mô hình hình học trong CAD
A. MÔ HÌNH KHUNG DÂY
 Ưu nhược điểm
+ Ưu điểm:
 - Xây dựng mô hình khá đơn giản.
 - Không yêu cầu nhiều thời gian tính toán, bộ nhớ, soạn thảo, truy
 cập,... của máy tính.
 - Không mất nhiều thời gian cho đào tạo người dùng (vì đây là sự
 mở rộng một cách tự nhiên phương pháp vẽ truyền thống).
+ Nhược điểm:
 - Người dùng cần khá nhiều thời gian để chuẩn bị và vào dữ liệu. Chi
 phí thời gian này tăng nhanh khi đối tượng vẽ phức tạp.
 - Mô hình chỉ chứa các cạnh tạo nên các mặt của đối tượng, mà
 không chứa thông tin về bản thân về các bề mặt và bên trong lòng
 đối tượng.
 - Khi đối tượng phức tạp thì lượng dữ liệu trở nên rất lớn, số lượng
 các lệnh vẽ rất nhiều, hình vẽ trở nên rối và khó hiểu.
 3. Mô hình hình học trong CAD
A. MÔ HÌNH KHUNG DÂY
 Ứng dụng:
 - Phạm vi ứng dụng hạn chế .
 - Thuận lợi khi dùng cho bản vẽ phác thảo.
 - Dùng cho phân tích dung sai và mô hình hóa phần tử hữu hạn.
 - Là cơ sở cho thiết lập mô hình mặt và mô hình khối đặc.
 3. Mô hình hình học trong CAD
B. MÔ HÌNH BỀ MẶT
 Đặc điểm trong cách xây dựng mô hình
 - Dùng lớp vỏ mỏng để miêu tả đối tượng theo ý tưởng sau: Mô
 hình khung dây + lớp vỏ mỏng = mô hình mặt.
 - Mô hình mặt tạo bởi các dạng bề mặt cơ bản: Mặt phẳng, mặt
 nón, mặt trụ, mặt cầu Các bề mặt này có thể miêu tả dễ dàng
 bằng các phương trình toán học.
 - Đối với các mặt cong phức tạp: Tách nó ra bằng vô số các
 mảnh nhỏ và mô phỏng các mảnh nhỏ theo các bề mặt cơ bản
 nói trên. Nhờ đó, các mảnh nhỏ dễ mô tả bằng toán học hơn và
 hợp chúng thành lưới các mảnh mặt.
 3. Mô hình hình học trong CAD
B. MÔ HÌNH BỀ MẶT
 Ưu nhược điểm của mô hình bề măt
+ Ưu điểm:
 - Không rườm rà, cồng kềnh như mô hình khung dây;
 - Dễ thực hiện các đường ẩn (hide line), nhờ đó hình vẽ hiện thực hơn;
 - Thực hiện được kỹ xảo tô bóng;
 - Có thể thực hiện được việc tính toán các đặc tính về diện tích trên các
 bề mặt của đối tượng.
 + Nhược điểm:
 - Chỉ cho mô tả được lớp vỏ bề mặt của đối tượng, mà không mô tả
 được phần vật chất bên trong.
 - Yêu cầu phải có thời gian đào tạo nhất định đối với người dùng.
 - Mô hình này phức tạp hơn mô hình khung dây, do đó yêu cầu dung
 lượng bộ nhớ của máy tính cao hơn.
 - Trong một số trường hợp mô hình bề mặt vẫn còn rườm rà.
 3. Mô hình hình học trong CAD
B. MÔ HÌNH BỀ MẶT
 Ứng dụng
 - Phạm vi ứng dụng rộng hơn mô hình khung dây để vẽ và thiết kế.
 - Dùng hiệu quả trong mô phỏng dụng cụ gia công khi chế tạo cơ khí 
 hoặc sản xuất công nghiệp.
 - Tạo nên tính linh hoạt cho hệ thống CAD.
 3. Mô hình hình học trong CAD
C. MÔ HÌNH KHỐI ĐẶC
 Có bốn phương pháp (hoặc nhóm phương pháp) thường dùng tạo ra mô 
 hình khối đặc:
 - Phương pháp hình học khối đặc hợp thành (Constrctive Solid 
 Geometry - CSG).
 - Phương pháp quét (Sweeping).
 - Phương pháp phối hợp kỹ thuật CSG và kỹ thuật quét.
 - Nhóm các phương pháp khác.
 3. Mô hình hình học trong CAD
C. MÔ HÌNH KHỐI ĐẶC
 Phương pháp hình học khối đặc hợp thành (CSG):
 - Các khối đặc cơ bản của CSG: khối hộp, khối nêm, khối nón, khối trụ,khối
 cầu, khối xuyến.
 - Mô hình khối đặc hợp thành: Liên kết các khối cơ bản với nhau nhờ các
 phép toán Boole đối với các khối đặc 3D.
 + Phép giao (Intersect);
 + Phép hợp (Union);
 + Phép hiệu (Subtract)
 - Cây CSG: Chỉ ra tuần tự các bước thực hiện phép toán Boole, để từ các
 khối đặc ban đầu xây dựng nên khối đặc hợp thành.
 3. Mô hình hình học trong CAD
C. MÔ HÌNH KHỐI ĐẶC
 Phương pháp quét (Sweeping)
 Ta có một tiết diện 2D (profil 2D) dùng để quét (tiết diện này còn được gọi là
 miền - region).
 - Quét thẳng: cho tiết diện 2D nâng lên vuông góc với mặt phẳng của
 nó (góc vát bằng 0).
 - Quét tròn: cho tiết diện 2D quay quanh một trục, ta sẽ được khối
 đặc tròn xoay.
 - Quét nghiêng: Cho tiết diện 2D nâng lên theo hướng không vuông
 góc với mặt phẳng của nó.
 - Quét theo đường dẫn: Cho tiết diện 2D chuyển dịch theo một đường
 dẫn (thẳng hoặc cong).
 3. Mô hình hình học trong CAD
+ Ưu điểm:
 - Mô hình khối đặc biểu diễn đầy đủ nhất về đối tượng.
 - Cơ sở dữ liệu của mô hình khối đặc cho phép xác định một điểm trong
 không gian thuộc phần bên trong, phần bên ngoài hay nằm ngay trên bề
 mặt đối tượng.
 - Cho phép tính toán nhiều đặc tính về diện tích bề mặt, thể tích, khối lượng,
 trọng tâm ... của đối tượng.
 - Hoàn thiện hơn mô hình mặt và mô hình khung dây. Do vậy, mô hình khối
 đặc chứa đựng không những các thông tin hình học mà còn chứa đựng
 thông tin về cấu trúc hợp thành (conbinatorial structure) của đối tượng vẽ.
 - Dễ dàng xây dựng mô hình khối đặc mà không cần phải xác định nhiều
 điểm cục bộ như mô hình khung dây.
 - Trong nhiều trường hợp, xây dựng mô hình khối đặc dễ dàng hơn so với
 xây dựng mô hình mặt và mô hình khung dây.
 - Sử dụng thuận lợi cho tự động hóa thiết kế và chế tạo trong công nghệ
 CAD/CAM/CNC.
 - Dễ dàng thực hiện kỹ thuật che khuất và tô bóng, nhờ đó hình vẽ rất thực.
 3. Mô hình hình học trong CAD
+ Nhược điểm:
 - Yêu cầu phải có quá trình đào tạo nhất định đối với người dùng.
 - Máy cần đủ mạnh, có dung lượng bộ nhớ đủ.
 Ứng dụng
 - Trong kỹ thuật đồ họa: Mô hình khối đặc được sử dụng ngày càng phổ biến.
 - Trong thiết kế: Rất thuận lợi cho việc tính toán các đặc tính về khối lượng (khối
 lượng, trọng tâm, mô-men quán tính...), phân tích giao tuyến, mô hình hóa phần tử
 hữu hạn, phân tích động học và động lực học cơ cấu.
 - Trong chế tạo: Rất hiệu quả trong mô phỏng đường chạy dao (hoặc dụng cụ)
 trong gia công cơ khí, quy hoạch quá trình gia công (quá trình sản xuất), kiểm tra
 kích thước gia công, biểu diễn các đặc tính hình học như dung sai và độ nhẵn bề
 mặt.
 - Trong lắp ráp: Dùng với robot và dùng trong hệ thống chế tạo linh hoạt (FMS -
 Flexible Manufacturing System), quy hoạch quá trình lắp ráp, phân tích động học và
 động lực học robot.