Bài giảng CAD/CAM - Chương 5: Phần cứng và phần mềm trong CAD - Nguyễn Thế Tranh

màn hình. 
 2. Kiến tạo nên một mô hình mà về mặt vật lý có thể vượt ra ngoài hình ảnh chứa 
trên màn hình. Đôi khi mô hình này còn được gọi là mô hình ứng dụng. 
 3. Nhập mô hình vào bộ nhớ trong (và cả bộ nhớ ngoài khi cần). 
 Khi làm việc với hệ thống đồ hoạ, người sử dụng thực hiện những công việc theo 
cách phối hợp chứ không phải theo cách hết loại công việc nọ đến công việc khia. Người sử 
dụng kiến tạo nên một mô hình vật lý và nhập vào bộ nhớ bằng sự mô tả hình ảnh của mô 
hình đó cho hệ thống biết theo cách tương tác mà không cần suy nghĩ động tác nào thuộc 
vào loại nào trong ba loại kể trên. Sở dĩ phân ra như thế là để tương ứng với cấu hình tổng 
quát của một hệ phần mềm đồ hoạ dùng trong hệ ICG sẽ nói dưới đây. 
 Theo truyền thống, người ta xác định cấu hình tổng quát của một hệ phần mềm đồ 
hoạ gồm có ba môdun sau : 
 1. Gói phần mềm đồ hoạ 
 2. Chương trình ứng dụng (mô hình ứng dụng) 
 3. Cơ sở dữ liệu đồ hoạ 
 TRẠM THIẾT KẾ 
 Thiết bị 
 HỆ PHẦN MỀM ĐỒ HOẠ 
 đầu cuối 
 đồ hoạ 
 CSDL 
 chương trình Gói 
 ứng dụng 
 phần mềm 
 ứng dụng Thiết bị 
 đồ hoạ
 vào của 
 người sử 
 dụng 
 Hình 5.2. Cấu hình của một hệ phần mềm đồ hoạ 
C5 CAD-CAM>PC-PM CAD 6 GVC NGUYỄN THẾ TRANH 
 1/ Chương trình ứng dụng : Đây là môdun trung tâm của hệ đồ hoạ. Nó là cái mô tả 
mô hình vật lý mà người sử dụng muốn thiết kế ra nên còn có tên là mô hình ứng dụng. Nó 
điều khiển sự lưu trữ dữ liệu vào cơ sở dữ liệu ứng dụng và gọi dữ liệu ra từ cơ sở dữ liệu 
ứng dụng. Nó được người sử dụng xây dựn nên thông qua gói phần mềm đồ hoạ. 
 Chương trình ứng dụng được ngời sử dụng tạo ra để xây dựng mô hình của thực thể 
vật lý mà hình ảnh của nó sẽ thấy được trên màn hình đồ hoạ. Mỗi thực thể vật lý được mô 
tả bởi một chương trình ứng dụng và bao giờ cũng thuộc về những miền bài toán cụ thể. 
Những miền bài toán trong thiết kế kỹ thuật bao gồm kiến trúc, xây dựng, cơ khí, điện, công 
nghệp hoá chất... Những miền bài toán không thuộc về thiết kế thì có thể là các bộ trình mô 
phỏng bay, là hiển thị dữ liệu dưới dạng đồ hoạ, là phân tích toán học và thậm chí là mỹ 
nghệ. Trong mỗi trường hợp, chương trình ứng dụng được xây dựng nên để xử lý hình ảnh 
và các quy ước tương ứng với lĩnh vực đó. 
 2/ Gói phần mềm đồ hoạ: 
 Đây là công cụ trợ giúp giữa người sử dụng và thiết bị đầu cuối đồ họa. Nó có nhiệm 
vụ quản lý sự tương tác đồ hoạ giữa người sự dụng và hệ thống. Đồng thời nó cũng hoạt 
đông với tư cách là giao diện giữa người sử dụng với chương trình ứng dụng. Gói phần 
mềm đồ họa bao gồm: 
 • Các chương trình con (thường trình) Output. 
 • Các chương trình con (thường trình) Input nhận lệnh và dữ liệu do người sử dụng 
 đưa vào rồi tiếp tục đưa chúng tới chương trình ứng dụng. Các chương trình 
 Output điều khiển màn hình (hoặc thiết bị ra khác) và chuyển đổi các mô hình 
 ứng dụng thành những hình ảnh hai chiều hoặc ba chiều. 
 3/ Cơ sở dữ liệu ứng dụng : Đây là môdun thứ ba trong cấu hình của hệ phần mềm 
đồ hoạ, trong đó chứa những định nghĩa về toán học, về số và về logic của các mô hình ứng 
dụng như các mạch điện, các chi tiết máy, các bộ phận ôtô v.v.. Nó còn chứa những thông 
tin dưới dạng ký tự như bảng liệt kê vật liệu, thuộc tính hình học, khối lượng... Nội dung 
của cơ sở dữ liệu có thể sẵn sàng hiển thị lên màn hình CRT hoặc vẽ ra trên giấy. 
 5.2.3. CÁC CHỨC NĂNG CỦA MỘT GÓI PHẦN MỀM ĐỒ HOẠ 
 Để đáp ứng đầy đủ vai trò của nó trong cấu hình hệ phần mềm nói trên, gói phần 
mềm đồ hoạ phải thực hiện rất nhiều chức năng khác nhau. Những chức năng này có thể 
gộp thành từng nhóm, mỗi nhóm thực hiện một kiểu tương tác nhất địn giữa người sử dụng 
và hệ thống (ICG). Có thể nêu lên một số nhóm thông dụng như sau: 
 • Tạo sinh các yếu tố hình học: 
 • Các phép chuyển đổi (quay, dịch chuyển...) 
 • Điều khiển hiển thị (lên màn hình, lên giấy vẽ...) và các chức năng cửa sổ. 
 • Các chức năng phân đoạn 
 • Các chức năng Input 
 1/ Tạo sinh các yếu tố đồ hoạ 
 Trong đồ họa, thuật ngữ “Entity” dùng để chỉ một yếu tố đồ họa hai chiều như điểm, 
đoạn thẳng, đường tròn, v.v... Bên cạnh đó còn phải kể đến bộ chữ cái, bộ chữ số cùng các 
ký hiệu đặc biệt khác, tạo nên bộ yếu tố đồ họa có trong hệ thống. Thường có một bộ phận 
phần cứng đặc biệt (một chip được cấy thêm vào card màn hình) nhằm tăng tốc độ của quá 
C5 CAD-CAM>PC-PM CAD 7 GVC NGUYỄN THẾ TRANH 
trình tạo sinh các yếu tố đồ họa và cho phép người sử dụng kiến tạo ra mô hình ứng dụng từ 
những yếu tố không thuộc vào các yếu tố có sẵn trong hệ thống. 
 Thuật ngữ “Primitive” (nguyên thể) thường được dùng để chỉ một yếu tố đồ hoạ ba 
chiều như hình cầu, hình trụ hay lập phương. Trong mô hình khung dây ba chiều và mô hình 
đặc, các nguyên thể được sử dụng với tư cách là những khối cơ sở để xây dựng nên một mô 
hình ba chiều về đối tượng cụ thể mà người ta sử dụng đang quan tâm. 
 2/ Các phép chuyển đổi: 
 Các phép chuyển đổi được dùng để thay đổi hình ảnh trên màn hình và để định vị lại 
các yếu tố trong cơ sở dữ liệu. Đó là công cụ giúp cho người sử dụng xây dựn mô hình ứng 
dụng theo ý muốn. Các phép chuyển đổi nói ở đây bao gồm phép dịch chuyển (tái định vị), 
phép quay, phép tỷ lệ (phóng to hoặc thu nhỏ)... 
 3/ Điều khiển hiển thị và các chức năng cửa sổ 
 Nhóm chức năng này giúp người sử dụng quan sát hình ảnh từ một góc độ mong 
muốn và với môt tỷ lệ yêu cầu. Để làm được như vậy, các phép chuyển đổi đã được vận 
dụng để hiển thị mô hình ứng dụng theo cách mà người sử dụng mong muốn. Công việc này 
đôi khi được gọi là phép “Window” vì màn hình đồ họa được quan niệm như một khung cửa 
sổ qua đó người sử dụng nhìn vào mô hình. Chú ý rằng cửa sổ có thể đặt bất cứ đâu để nhìn 
vào đối tượng đang xét. 
 Bên cạnh đó, khử bỏ nét khuất cũng thuộc nhóm chức năng này. Trong đa số hệ đồ 
họa, hình ảnh được tạo nên bởi những đường nét thể hiện một đối tượng cụ thể. Khử bỏ nét 
khuất là một thủ tục mà nhờ đó hình ảnh được chia ra thành những nét thấy được và không 
thấy được (hay những nét khuất). Ở một số hệ đồ hoạ, người thiết kế phải chỉ ra nét nào 
(hay phần nào của nét) không thấy được để khử bỏ khiến cho hình vẻ dễ hiểu hơn. Ở một số 
hệ khác, gói phần mềm đủ mạnh để tự động khử bỏ nét khuất. 
 4/ Chức năng phân đoạn : Các chức năng thuộc nhóm này cho phép người sử dụng 
thay thế, xoá có lựa chọn hoặc sửa chữa những phần hình ảnh mong muốn. Thuật ngữ 
“đoạn” dùng để chỉ một phần cụ thể của bản vẽ cần chọn ra để sửa chữa. Phép phân đoạn là 
phép chia một đối tượng phức tạp thành những bộ phận đơn giản hơn có thể quản lý được. 
Mỗi bộ phận như thế được gọi là một đoạn. Đoạn có thể là một phần tử đơn như đoạn thẳng, 
đường tròn, hoặc cũng có thể là một nhóm phần tử đơn nhưng về mặt logic thì vẫn được 
xem như một phần tử đơn mà ta có thể thao tác trên đó. 
 Màn hình DVST không phù hợp với các chức năng phân đoạn vì muốn xoá hoặc sửa 
chữa chỉ một phần nhờ hình ảnh trên màn hình vẫn phải xoá toàn cảnh rồi vẽ lại. Màn hình 
quét dòng thích hơp một cách lý tưởng với các chức năng phân đoạn vì nó luôn được làm 
“tươi” bằng cách quét 30 lần hay trên 30 lần trong một giây (trong khi DVST không thể làm 
tươi nhanh được). Từ một tệp hiển thị, hình ảnh được tái sinh qua mỗi chu kỳ quét. Tập hiển 
thị này được lưu trữ trong một bộ phận cứng nằm trong CRT quét dòng (RAM của card màn 
hình). Một đoạn có thể dễ dàng xác định như là một phần của tệp hiển thị bằng cách đặt cho 
nó môt tên. Nội dung của phần đó của tệp nhờ vậy sẽ được xoá hoặc được thay thế tuỳ theo 
yêu cầu. 
 5/ Các chức năng Input của người sử dụng: Đây là nhóm cực kỳ quan trọng trong 
gói phần mềm đồ hoạ vì chúng cho phép người sử dụng đưa lệnh và dữ liệu vào cho hệ 
thống. Những công việc này được thực hiện nhờ các thiết bị Input. Các chức năng Input tất 
nhiên phải được viết sao cho phù hợp với các thiết bị vào cụ thể có trong hệ thống, đồng 
thời phải dễ nhơ, dễ làm quen và tiện lợi cho người sử dụng. 
C5 CAD-CAM>PC-PM CAD 8 GVC NGUYỄN THẾ TRANH 
 Các chức năng Input cần được viết sao cho có thể khai thác đến mức tối đa lợi thế 
tương tác của hệ ICG. Một bản thiết kế phần mềm tốt vừa có đủ mọi chức năng đáp ứng mọi 
tình huống vào dữ liệu, lại vừa không có quá nhiều lệnh khiến người sử dụng ngập chìm 
trong đó. Tuy nhiên điều này rất khó đạt được đối với những gói phần mềm lớn và phức tạp. 
Một trong những hướng giải quyết chủ yếu là đơn giản hoá sự giao diện người - máy đến 
mức một người sử dụng không hiểu biết nhiều về máy tính cũng có thể khai thác phần mềm 
một cách hiệu quả cho mục đích chuyên môn của mình. Các phần mềm đồ họa chạy trong 
DOS gần đây và đặc biệt là chạy trong Windows là những ví dụ thành công theo hướng ấy. 
 5.2.4. XÂY DỰNG HÌNH HỌC 
 1. Sử dụng các yếu tố đồ hoạ 
 Hệ thống đồ hoạ xây dựng các mô hình phức tạp từ những yếu tố đồ hoạ đơn giản. 
Các yếu tố này được người sử dụng gọi ra, sắp xếp cái này bên cạnh cái kia, thực hiện một 
số sửa chữa thích hợp để tạo ra mô hình. Có một số vấn đề cần quan tâm trong quá trình xây 
dựng như sau : 
 a. Xác định kích thước, vị trí và phương chiều của yếu tố vừa mới được gọi ra trước 
khi thêm nó vào mô hình. Sự xác định này làm nhằm tạo ra cho yếu tố đó có tỉ lệ, kích 
thước và hình dạng thích hợp. Để làm việc này, người sử ụng cần đến các phép chuyển đổi 
(quay, dịch chuyển...) 
 b. Các yếu tố đồ hoạ có thể cộng hoặc trừ với nhau theo cách tốt nhất để đưa vào mô 
hình. Như vậy, một mô hình có thể tạo ra từ những yếu tố dương cùng các yếu tố âm. 
 c. Tạo khối : Khi xây dựng mô hình có thể gộp nhiều yếu tố đồ họa thành từng đơn vị 
gọi là khối hay block. Khối có thể được gọi ra để xử lý và xen vào bất kỳ nơi nào trên mô 
hình. Chẳng hạn mô hình bulông được tạo ra từ nhiều nét vẽ, đến lượt mô hình bulông này 
lại được định nghĩa là một khối và đặt cho một tên và cất vào bộ nhớ dưới tên đã đặt rồi gọi 
từ bộ nhớ ra qua tên gọi ấy để xen vào những nơi cần thiết trong bản vẽ lắp ghép đang hiển 
thị trên màn hình. 
 2. Xác định các yếu tố đồ họa. 
 Có nhiều cách để gọi một yếu tố đồ hoạ cụ thể từ cơ sở dữ liệu ra để đặt nó vào vị trí 
mong muốn trong mô hình. Các yếu tố đồ hoạ thông qua tương tác với hệ ICG, được lưu trữ 
trong cơ sở dữ liệu dưới dạng toán học và được tham chiếu tới một hệ toạ độ ba chiều. 
Chẳng hạn một điểm được xác định một cách đơn giản bởi ba toạ độ x, y, z của điểm đó, 
hoặc một đa giác được xác định bởi một bộ gồm các đỉnh liên tiếp của đa giác ấy, hay một 
đường tròn được xác định bởi tâm và bán kính của nó, chẳng hạn về mặt toán học, một 
đường tròn trong mặt phẳng xOy có thể xác định bởi phương trình : 
 (x - m)2 + (y - n)2 = r2 
 Trong đó r là bán kính, (m,n) là toạ độ của tâm vòng tròn trong mặt phẳng xOy. 
 Trong mỗi trường hợp, định nghĩa toán học có thể chuyển đổi thành những điểm, 
những đường và những mặt tương ứng để lưu trong cơ sở dữ liệu và để hiển thị lên màn 
hình CRT 
C5 CAD-CAM>PC-PM CAD 9 GVC NGUYỄN THẾ TRANH 
 Các phương pháp xác định các yếu tố đồ hoạ trong hệ ICG 
Yếu tố đồ hoạ Phương pháp xác định trong hệ ICG 
 1. Trỏ vào vị trí mong muốn trên màn hình bằng cách điều 
 khiển con trỏ. 
 2. Nhập vào các toạ độ thông qua bàn phím. 
 Điểm 3. Nhập vào offset (khoảng cách về x, y, z) so với một điểm 
 đã có trước đó. 
 4. Giao điểm của hai đường. 
 5. Định vị các điểm tại những khoảng cách cố định dọc theo 
 một yếu tố đồ hoạ đã cho. 
 1. Sử dụng hai điểm cho trước. 
 2. Sử dụng một điểm và một góc cho trước so với phương 
 nằm ngang. 
 3. Sử dụng một điểm rồi từ điểm đó kẻ đường thẳng góc hay 
Đường thẳng tiếp tuyến với một đường cong cho trước. 
 4. Sử dụng một điểm và tại điểm đó kẻ đường song song hay 
 thẳng góc với một đường thẳng cho trước. 
 5. Kẻ đường tiếp tuyến với hai đường cong cho trước. 
 6. Kẻ đường tiếp tuyến với một đường cong cho trước đồng 
 thời song song hay thẳng góc với một đường thẳng cho 
 trước. 
 1. Xác định tâm và bán kính. 
Cung tròn và 2. Xác định tâm và một điểm nằm trên cung hay đường tròn. 
đường tròn 3. Vẽ qua 3 điểm không thẳng hàng cho trước 
 4. Vẽ đường cong tiếp tuyến với 2 đường thẳng cho trước. 
 5. Xác định bán kính và vẽ đường cong tiếp tuyến với 2 
 đường thẳng hay 2 đường cong cho trước. 
 Conics 1. Xác định 5 điểm nằm trên đường cong. 
 (Ellipse, 2. Xác định 3 điểm và một điều kiện tiếp tuyến. 
 Parabol, 
 Hyperbol) 
Đường cong Các Spline toán học được sử dụng để tra vừa một đường cong 
 thông qua dữ liệu cho trước. Các kỹ thuật tạo đường cong khác 
 được sử dụng trong đồ hoạ máy tính bao gồm phương pháp đường 
 cong Bezier và B-spline. Kết quả cho đường cong không chứa tất 
 cả các điểm của dữ liệu. Trong các trường hợp này, các điểm dữ 
 liệu thì được đưa vào hệ thống đồ hoạ còn các kỹ thuật đường 
 cong tra vừa sẽ được chọn để xác định đường cong. 
 Mặt cong Các phương pháp tạo đường cong ở trên cũng có thể dùng để xác 
 định định nghĩa toán học của một mặt cong. 
 3. Edit hình học. 
 Một hệ CAD nào cũng có khả năng Edit để tu sửa và điều chỉnh trong mô hình hình 
học như chèn, sao chép, dịch chuyển, quay v.v.. đối với các yếu tố đồ hoạ tạo nên mô hình 
đó. 
C5 CAD-CAM>PC-PM CAD 10 GVC NGUYỄN THẾ TRANH 
 Một số khả năng Edit thông dụng trong một hệ CAD: 
 Move, Copy, Rotate, Mirror, Delete, Remove, Trim (cắt bỏ phần đoạn thẳng vượt 
ra ngoài một điểm cho trước), Block, Scale. 
 5.2.5. CÁC PHÉP CHUYỂN ĐỔI. 
 1. Phép dịch chuyển. 
 2. Phép quay. 
 3. Phép tỷ lệ. 
 4. Phép dối xứng. 
 5.2.6. TỔ CHỨC VÀ NỘI DUNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỒ HOẠ. 
 Cơ sở dữ liệu là một trong 3 mô đun tạo nên cấu hình của một hệ phần mềm đồ hoạ. 
Hầu như mọi chức năng của một hệ CAD là phụ thuộc vào cơ sở dữ liệu của nó. 
 1. Nội dung cơ sở dữ liệu. 
 Bao gồm các mô hình, chương trình ứng dụng, các bản thiết kế, các bản vẽ, các bản 
lắp cùng các thông tin thuộc dạng ký tự như liệt kê vật liệu và các văn bản. Ngoài ra nó còn 
chứa nhiều thông tin của gói phần mềm đồ hoạ như các lệnh hệ thống, các Menu chức năng 
và các chương trình Ouput của máy vẽ. Cơ sở dữ liệu nằm trên RAM và tại bộ nhớ ngoài. 
 2. Tố chức của cơ sở dữ liệu. 
 Nói chung một mô hình/chương trình ứng dụng được cấu trúc nên từ những thành 
phần sau đây: 
 1. Các yếu tố đồ hoạ như điểm, đoạn thẳng. 
 2. Hình dạng hình học của các bộ phận hợp thành của mô hình và sự bài trí của 
 chúng trong không gian. 
 3. Topology hay cấu trúc liên kết của mô hình. 
 4. Dữ liệu riêng của mô hình như các thuộc tính vật liệu. 
 5. Các chương trình phân tích kỹ thuật riêng của mô hình. 
 5.2.7. MÔ HÌNH KHUNG DÂY VÀ MÔ HÌNH ĐẶC. 
 1. Tầm quan trọng của đồ hoạ 3 chiều. 
 Các hệ CAD hiện đại đều có khả năng 3 chiều (3D). Đây là khả năng rất mạnh vì nó 
cho phép người thiết kế xây dựng mô hình đầy đủ 3 chiều của một vật thể chứ không phải là 
chỉ mô tả 2 chiều. Nó có thể cho phép tạo ra các hình chiếu trực giao, bản vẽ phối cảnh và 
đặc tả cận cảnh các chi tiết thuộc vật thể. 
 2. Mô hình khung dây. 
 3. Mô hình đặc.