Bài giảng CAD/CAM - Chương 1: Tổng quan về CAD/CAM - Nguyễn Thế Tranh

t kế có sự tham gia của máy tính điện tử 
(Conception Assistée par Ordinateur-CAO hay Computer Aided Design-CAD). 
 Trong tiếng Anh ta sử dụng từ CAD chung cho cả hai phần mềm này. 
 Trong triển khai chế tạo ra sản phẩm từ bản vẽ thiết kế, ngày nay có các phần 
mềm ứng dụng đó là các phần mềm chế tạo có sự tham gia của máy tính điện tử 
 ( Fabrication Assistée par Ordinateur - FAO 
 hay Computer Aided Manufacturing - CAM) 
 Khi sự tích hợp trên máy tính điện tử cho các hoạt động thiết kế và chế 
tạo được thực hiện, tức là khi việc thực hiện có thể trực tiếp dựa vào các dữ liệu 
số được tạo ra bởi việc thiết kế, tập hợp các hoạt động đặc trưng của CAD/CAM 
được mô tả dưới khái niệm chế tạo được tích hợp bởi máy tính điện tử 
 ( Fabrication Intégrée par Ordinateur - FIO 
 hay Computer integrated Manufacturing - CIM). 
 Do vậy CIM biểu diễn các hoạt động tương ứng với thiết kế, vẽ, chế tạo 
và kiểm tra chất lượng của một sản phẩm cơ khí. 
1.1.2 Đối tượng phục vụ của CAD/CAM. 
 Xu thế phát triển chung của các ngành công nghiệp chế tạo theo công 
nghệ tiên tiến là liên kết các thành phần của qui trình sản xuất trong một hệ 
thống tích hợp điều khiển bởi máy tính điện tử (Computer Integrated 
Manufacturing - CIM). 
 Các thành phần của hệ thống CIM được quản lý và điều hành dựa trên cơ 
sở dữ liệu trung tâm với thành phần quan trọng là các dữ liệu từ quá trình CAD. 
 Kết quả của quá trình CAD không chỉ là cơ sở dữ liệu để thực hiện phân 
tích kỹ thuật, lập qui trình chế tạo, gia công điều khiển số mà chính là dữ liệu 
điều khiển thiết bị sản xuất điều khiển số như các loại máy công cụ, người máy, 
tay máy công nghiệp và các thiết bị phụ trợ khác. 
 Công việc chuẩn bị sản xuất có vai trò quan trọng trong việc hình thành 
bất kỳ một sản phẩm cơ khí nào. 
C1 CAD-CAM> TONGQUAN 4 GVC NGUYỄN THẾ TRANH 
 Công việc này bao gồm: 
 - Chuẩn bị thiết kế ( thiết kế kết cấu sản phẩm, các bản vẽ lắp chung 
 của sản phẩm, các cụm máy.v.v...) 
 - Chuẩn bị công nghệ (đảm bảo tính năng công nghệ của kết cấu, 
 thiết lập qui trình công nghệ) 
 - Thiết kế và chế tạo các trang bị công nghệ và dụng cụ phụ v.v... 
 - Kế hoạch hoá quá trình sản xuất và chế tạo sản phẩm trong thời 
 gian yêu cầu. 
 Hiện nay, qua phân tích tình hình thiết kế ta thấy rằng 90% thời lượng 
thiết kế là để tra cứu số liệu cần thiết mà chỉ có 10% thời gian dành cho lao động 
sáng tạo và quyết định phương án, do vậy các công việc trên có thể thực hiện 
bằng máy tính điện tử để vừa tiết kiệm thời gian vừa đảm bảo độ chính xác và 
chất lượng. 
 CAD/CAM là lĩnh vực nghiên cứu nhằm tạo ra các hệ thống tự động thiết 
 kế và chế tạo trong đó máy tính điện tử được sử dụng để thực hiện một số 
 chức năng nhất định. 
 CAD/CAM tạo ra mối quan hệ mật thiết giữa hai dạng hoạt động: Thiết 
 kế và Chế tạo. 
 Tự động hoá thiết kế là dùng các hệ thống và phương tiện tính toán giúp 
người kỹ sư thiết kế, mô phỏng, phân tích và tối ưu hoá các giải pháp thiết kế. 
 Tự động hoá chế tạo là dùng máy tính điện tử để kế hoạch hoá, điều 
khiển và kiểm tra các nguyên công gia công. 
1.1.3 Vai trò của CAD/CAM trong chu kỳ sản xuất. 
 Khái niệm Thiết kế Vẽ 
 SP mới sản phẩm chi tiết 
 Nhu cầu 
 thị trường Nhu cầu Kế hoạch hoá 
 TTB mới QTSX 
 Kiểm tra Sản xuất Lập 
 chất lượng sản phẩm biểu đồ SX 
 Hình 1.2- Sơ đồ chu kỳ sản xuất 
C1 CAD-CAM> TONGQUAN 5 GVC NGUYỄN THẾ TRANH 
 TĐH Vẽ bằng 
 thiết kế MTĐT 
 Khái niệm Thiết kế Vẽ chi tiết 
 SP mới SP 
 Nhu cầu Nhu cầu KHH TĐH KHH 
 thị tr ường TTB mới QTSX QTSX 
 Kiểm tra Sản xuất Lập biểu đồ 
 chất lượng sản phẩm SX 
 TĐH TB ĐK bằng Vẽ BĐ, lập nhu cầu 
 KTCL MTĐT NVL KT 
 Hình 1.3 - Sơ đồ chu kỳ sản xuất khi dùng CAD/CAM 
 Rõ ràng rằng CAD/CAM chi phối hầu hết các dạng hoạt động và chức 
năng của chu kỳ sản xuất. Ở các nhà máy hiện đại, trong công đoạn thiết kế và 
chế tạo, kỹ thuật tính toán ngày càng phát huy tác dụng và là nhu cầu không thể 
thiếu được. 
1.1.4 Chức năng của CAD. 
 Khác biệt cơ bản với qui trình thiết kế theo công nghệ truyền thống, CAD 
cho phép quản lý đối tượng thiết kế dưới dạng mô hình hình học số trong cơ sở 
dữ liệu trung tâm, do vậy CAD có khả năng hỗ trợ các chức năng kỹ thuật ngay 
từ giai đoạn phát triển sản phẩm cho đến giai đoạn cuối của quá trình sản xuất, 
tức là hỗ trợ điều khiển các thiết bị sản xuất bằng điều khiển số. 
 Hệ thống CAD được đánh giá có đủ khả năng để thực hiện chức năng yêu 
cầu hay không, phụ thuộc chủ yếu vào chức năng xử lý của các phần mềm thiết 
kế. Ngày nay những bộ phần mềm CAD/CAM chuyên nghiệp phục vụ thiết kế 
và gia công khuôn mẫu có khả năng thực hiện được các chức năng cơ bản sau: 
C1 CAD-CAM> TONGQUAN 6 GVC NGUYỄN THẾ TRANH 
 - Thiết kế mô phỏng hình học 3 chiều (3D) những hình dạng phức tạp. 
 - Giao tiếp với các thiết bị đo, quét toạ độ 3D thực hiện nhanh chóng các 
 chức năng mô phỏng hình học từ dữ liệu số. 
 - Phân tích và liên kết dữ liệu: tạo mặt phân khuôn, tách khuôn, quản lý 
 kết cấu lắp ghép... 
 - Tạo bản vẽ và ghi kích thước tự động: có khả năng liên kết các bản vẽ 
 2D với mô hình 3D và ngược lại. 
 - Liên kết với các chương trình tính toán thực hiện các chức năng phân 
 tích kỹ thuật: tính biến dạng khuôn, mô phỏng dòng chảy vật liệu, 
 trường áp suất, trường nhiệt độ, độ co rút vật liệu,... 
 - Nội suy hình học, biên dịch các kiểu đường chạy dao chính xác cho 
 công nghệ gia công điều khiển số. 
 - Giao tiếp dữ liệu theo các định dạng đồ hoạ chuẩn. 
 - Xuất dữ liệu đồ hoạ 3D dưới dạng tập tin STL để giao tiếp với các 
 thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ tạo hình lập thể. 
 Những ứng dụng của CAD trong ngành chế tạo máy: 
 • Tạo mẫu nhanh thông qua giao tiếp dữ liệu với thiết bị tạo mẫu 
 nhanh theo công nghệ tạo hình lập thể (đo quét toạ độ) 
 • Giảm đáng kể thời gian mô phỏng hình học bằng cách tạo mô 
 hình hình học theo cấu trúc mặt cong từ dữ liệu số. 
 • Chức năng mô phỏng hình học mạnh, có khả năng mô tả những 
 hình dáng phức tạp nhất. 
 • Khả năng mô hình hoá cao cho các phương pháp phân tích, cho 
 phép lựa chọn giải pháp kỹ thuật tối ưu. 
 1.2 THIẾT KẾ VÀ GIA CÔNG TẠO HÌNH. 
Theo lịch sử hình thành và phát triển ta có thể phân biệt công nghệ thiết kế và 
gia công tạo hình như sau: 
 - Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống. 
 - Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ CAD/CAM 
 - Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ tích hợp CIM 
1.2.1 Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống. 
 Trong công nghệ truyền thống, các mặt cong 3D phức tạp được gia công trên 
máy vạn năng theo phương pháp chép hình sử dụng mẫu hoặc dưỡng. Do vậy 
qui trình thiết kế và gia công bao gồm có 4 giai đoan phân biệt (Hình 1.4): 
 1. Tạo mẫu sản phẩm, 
 2. Lập bản vẽ kỹ thuật, 
 3. Tạo mẫu chép hình, 
 4. Gia công chép hình. 
 Qui trình này có những hạn chế: 
C1 CAD-CAM> TONGQUAN 7 GVC NGUYỄN THẾ TRANH 
 - Khó đạt được độ chính xác gia công, chủ yếu do quá trình chép hình, 
 - Dễ dàng làm sai do nhầm lẫn hay hiểu sai vì phải xử lý một số lớn dữ 
 liệu, 
 - Năng suất thấp do mẫu được thiết kế theo phương pháp thủ công và 
 qui trình được thực hiện tuần tự: tạo mẫu sản phẩm - lập bản vẽ chi tiết 
 - tạo mẫu chép hình - phay chép hình. 
 Ý TƯỞNG 
 Hiệu chỉnh 
 VẼ & THIẾT KẾ MẪU 
 SẢNPHẨM
 Lấy mẫu 
 BẢN VẼ KỸ THUẬT
 TẠO MẪU CHÉP HÌNH MẪU 
 CHÉP HÌNH
 GIA CÔNG CHÉP HÌNH
 Hình 1.4 - Qui trình thiết kế và gia công tạo hình 
 theo công nghệ truyền thống 
1.2.2 Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ CAD/CAM. 
 Sự phát triển của phương pháp mô hình hoá hình học cùng với thanh tựu 
của công nghệ thông tin, công nghệ điện tử, kỹ thuật điều khiển số đã có những 
ảnh hưởng trực tiếp đến công nghệ thiết kế và gia công tạo hình (Hình 1.5): 
 - Bản vẽ kỹ thuật được tạo từ hệ thống vẽ và tạo bản vẽ với sự trợ giúp 
 của máy vi tính. 
 - Tạo mẫu thủ công được thay thế bằng mô hình hoá hình học trực tiếp 
 từ giá trị lấy mẫu 3D. 
 - Mẫu chép hình được thay thế bằng mô hình toán học - mô hình hình 
 học lưu trữ trong bộ nhớ máy vi tính và ánh xạ trên màn hình dưới 
 dạng mô hình khung lưới. 
 - Gia công chép hình được thay thế bằng gia công điều khiển số (CAM). 
 Về công nghệ, khác biệt cơ bản giữa gia công tạo hình theo công nghệ 
truyền thống và công nghệ CAD/CAM là thay thế tạo hình theo mẫu bằng mô 
hình hoá hình học. 
C1 CAD-CAM> TONGQUAN 8 GVC NGUYỄN THẾ TRANH 
 Kết quả là mẫu chép hình và công nghệ gia công chép hình được thay thế 
bằng mô hình hình học số (Computational Geometric Model - CGM) và gia 
công điều khiển số. Mặt khác khả năng kiểm tra kích thước trực tiếp và khả 
năng lựa chọn chế độ gia công thích hợp (gia công thô, bán tinh và tinh). 
 Theo công nghệ CAD/CAM phần lớn các khó khăn của quá trình thiết kế 
và gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống được khắc phục vì rằng: 
 • Bề mặt gia công đạt được chính xác và tinh xảo hơn. 
 • Khả năng nhầm lẫn do chủ quan bị hạn chế đáng kể. 
 • Giảm được nhiều tổng thời gian thực hiện qui trình thiết kế và gia 
 công tạo hình. 
 Ý TƯỞNG 
 Hiệu chỉnh 
 VẼ & TẠO BẢN VẼ 
 MẪU 
 (CADD)
 SẢNPHẨM
 Lấy mẫu, số hoá 
 BẢN VẼ KỸ THUẬT
 MÔ HÌNH 
 MÔ HÌNH HOÁ HÌNH HỌC
 HÌNH HỌC SỐ (CGM) 
 GIA CÔNG ĐIỀU KHIỂN SỐ 
 (CAM) 
 Hình 1.5 - Qui trình thiết kế và gia công tạo hình 
 theo công nghệ CAD/CAM 
1.2.3 Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ tích hợp (CIM). 
 Từ công nghệ CAD/CAM ta dễ dàng thực hiện ý tưởng liên kết mọi thành 
phần trong một hệ thống tích hợp (Hình 1.6). Theo công nghệ tích hợp, công 
việc mô hình hoá hình học - vẽ - tạo bản vẽ được tích hợp trong CAD; kết quả 
mọi thông tin về hình dáng được lưu lại dưới dạng CGM, lưu trữ trong cơ sở dữ 
liệu trung tâm. Công nghệ tiên tiến nhất có khả năng hỗ trợ thực hiện toàn bộ qui 
trình thiết kế và chế tạo theo công nghệ tích hợp: 
 • Cho phép thiết lập mô hình hình học số CGM trực tiếp từ ý tưởng 
 về hình dáng. 
 • Được trợ giúp bởi thiết bị đồ hoạ mạnh và công nghệ tô màu, tạo 
 bóng hiện đại. 
C1 CAD-CAM> TONGQUAN 9 GVC NGUYỄN THẾ TRANH 
 • Có khả năng thực hiện các chức năng phân tích kỹ thuật; liên kết 
 với các thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ tạo hình lập thể; lập 
 trình chế tạo; điều khiển quá trình gia công điều khiển số; lập qui 
 trình lắp ráp; tạo phôi,... 
 Ý TƯỞNG 
 CAD 
 MÔ HÌNH 
 FEM MẪU 
 SẢN PHẨM 
 MÔ HÌNH 
 BẢ N VẼ HÌNH HỌC SỐ (CGM) 
 KỸ THUẬT MÀN HÌNH 
 ĐỒ HOẠ 
 CAPP 
 Computer Aided Process Planning 
 CAM 
 Hình 1. 6 - Qui trình thiết kế và gia công tạo hình 
 theo công nghê tích hợp 
 1.3 MÔ HÌNH HOÁ HÌNH HỌC. 
 Mô hình hoá hình học là mô tả đối tượng hình học bởi 
 mô hình toán học - mô hình hình học số. 
 Khái niệm mô hình hình học được sử dụng cho thực thể hình học có 
thể mô tả được, đó là những thực thể hình học cơ sở, được sử dụng trên bản vẽ 
kỹ thuật hay trên màn hình, đó là: 
 - Điểm, 
 - Đường cong, bao gồm cả đoạn thẳng, 
 - Mặt cong, bao gồm cả mặt phẳng, 
 - Khối (cấu trúc đặc). 
 Mô hình hình học được diễn giải bởi con người nhưng hình thức mô tả 
chúng phải thích hợp, rõ ràng sao cho có thể chuyển đổi thành mô hình hình 
học số duy nhất. Tức là yêu cầu mô hình hình học phải được mô tả bởi các giá 
trị số chính xác: 
C1 CAD-CAM> TONGQUAN 10 GVC NGUYỄN THẾ TRANH 
 - Điểm có thể mô tả bởi giá trị toạ độ, 
 - Đường cong có thể được mô tả bởi chuỗi điểm hoặc phương trình, 
 - Mặt cong có thể được mô tả bởi tập hợp điểm hoặc lưới đường cong, 
 hoặc phương trình, 
 - Khối có thể được định nghĩa bởi các mặt cong bao quanh nó. 
 1.3.1 Phương pháp mô tả đường cong. 
 1. Đường cong 2D được mô tả bởi 2 phương pháp: 
 a. Sử dụng các đường cong 2D cơ sở. 
 b. Như là chuỗi điểm trên mặt phẳng. 
 2. Đường cong 3D được mô tả bởi một trong các cách sau: 
 a. Chuỗi điểm 3D 
 b. Giao tuyến giữa 2 mặt cong. 
 c. Hình chiếu của đường cong 2D lên mặt cong 3D. 
 d. Tập đường cong 2D trên các mặt phẳng hình chiếu trục đo. 
 3. Phương pháp đơn giản mô tả đường cong 2D. 
 Người ta sử dụng họ đường cong bậc hai conic, bao gồm: đoạn thẳng, 
đường tròn, đường êlip, đường Parabol, đường Hyperbol. Chúng được xác định 
rõ ràng bởi thông số của chúng như: toạ độ tâm, bán kính, tiêu điểm. 
 Ta có thể gọi họ đường cong conic là đường cong cơ sở tạo nên đường 
cong đa hợp bằng cách nối kết liên tục theo chuỗi, có thể sử dụng góc lượn tại vị 
trí yêu cầu để đạt độ trơn láng. 
 4. Phương pháp phổ biến nhất để mô tả đường cong tự do 2D và 3D. 
 Đây là phương pháp xác định chuỗi điểm đường cong đi qua, phương 
pháp gián tiếp để mô tả đường cong 3D là xác định giao tuyến giữa 2 mặt cong. 
 Trong trường hợp này ta không thể xác định đường cong một cách chính 
xác. Phương pháp phổ biến xác định dường cong 3D trong vẽ kỹ thuật là xác 
định hình chiếu 2D của chúng, sau đó xác định hình chiếu trên mặt cong, đây 
chính là phép chiếu ngược. 
 1.3.2 Phương pháp mô tả mặt cong. 
 Ta không thể vẽ mặt cong hình học, nhưng có thể mô tả chúng trên bản vẽ 
dưới dạng mô hình: 
 - Mặt hình học cơ sở, 
 - Mặt nội suy lưới đường cong, 
 - Mặt quét hình đường mặt cắt, 
 - Mặt nội suy điểm, 
 - Mặt kết nối hình. 
Tương ứng đó là: 
 • Sử dụng các mặt cong cơ sở. 
 • Mô tả mặt cong bởi mô hình lưới đường cong. 
C1 CAD-CAM> TONGQUAN 11 GVC NGUYỄN THẾ TRANH 
 • Mô tả mặt cong bởi phép quét hình. 
 • Mặt cong nội suy điểm. 
 • Mô hình mặt cong kết nối. 
 1.3.3 Phương pháp mô tả khối hình học. 
 Khác biệt cơ bản với mô hình mặt cong, ngoài dữ liệu hình học thuộc mặt 
bao, phương pháp mô hình hoá theo cấu trúc khối, cho phép quản lý dữ liệu 
thuộc miền không gian bên trong thực thể hình học. 
 Về phương pháp tạo hình, phương pháp mô hình hoá hình học theo cấu 
trúc khối sử dụng thuật toán BOOL (phép toán về tập hợp) trên các khối hình 
học cơ sở. Khối hình học cơ sở có thể là: 
 - Khối cơ sở bậc hai. 
 - Khối quét hình: hình thành trên cơ sở quét hình mặt giới hạn bởi 
 đường viền 2D khép kín theo đường định hình. 
 1.3.4 Phương pháp mô hình hoá hình học. 
 Theo phương pháp mô tả điểm, đường cong, mặt cong, khối hình học đã 
đề cập ở trên, ta có thể xây dựng giải thuật mô hình hoá hình học theo cấu trúc 
mặt cong và cấu trúc khối theo qui tắc chung như sau: 
 • Thực thể hình học được mô tả như cấu trúc thể hiện mối 
 tương quan giữa các thực thể hình học cơ sở cùng loại hoặc 
 khác loại. 
 • Mặt cong được mô tả bởi phép nội suy điểm; nội suy lưới 
 đường cong; phép quét hình đường mặt cắt; mặt cong cơ sở 
 bậc hai. 
 • Khối hình học được mô tả bởi phép quét hình mặt cắt; khối 
 cơ sở bậc 2. 
 Trong trường hợp tổng quát, thực thể hình học được xác dịnh từ những 
thực thể cơ sở cấp thấp hơn. Ví dụ như đường cong được thiết lập từ điểm, mặt 
cong từ điểm và đường cong, khối từ các bề mặt bao,... 
 Các thực thể hình học cấp thấp và tham số thiết kế được gọi là yếu tố điều 
khiển hình học, có thể hiệu chỉnh được để thay đổi hình dáng và kích thước.