(NB) Giáo trình Lập trình CAD/CAM-CNC giúp cho người học tiếp cận với công nghệ lập trình tự động tiên tiến; nâng cao kỹ năng thực hành thiết kế và lập trình gia công CNC tiện và phay. Mặt khác mở rộng năng lực sáng tạo trong khai thác thiết bị, đặc biệt trong việc lập trình gia công các chi tiết có hình dạng bề mặt gia công phức tạp.
Khái quát về công nghệ CAD/CAM
Lịch sử phát triển của công nghệ CAD/CAM
1.1.1 Tổng quan về CAD/CAM
Những năm cuối thế kỷ 20, công nghệ CAD/CAM trở thành một lĩnh vực đột phá trong thiết kế, chế tạo và sản xuất sản phẩm công nghiệp CAD (Computer Aided Design) là thiết kế trợ giúp bằng máy tính, trong khi CAM (Computer Aided Manufacture) là sản xuất có sự trợ giúp của máy tính Hai lĩnh vực này hòa quyện thành một công nghệ cao, là sự kết hợp tổng hợp giữa cơ khí – tin học – điện tử – tự động hóa Với sự phát triển của khoa học máy tính, CAD/CAM được nhận thức và ứng dụng nhanh chóng trong nhiều ngành công nghiệp như dệt – may, nhựa, cơ khí chế tạo, giúp tăng sáng tạo và tối ưu hóa quy trình sản xuất, tăng năng suất lao động, giảm cường độ công việc và tự động hóa quá trình sản xuất, nâng cao độ chính xác chi tiết và đạt hiệu quả kinh tế cao.
Công việc chuẩn bị sản xuất có vai trò vô cùng quan trọng trong việc hình thành bất kỳ một sản phẩm cơ khí nào Công việc này bao gồm các khâu chuẩn bị thiết kế (thiết kế kết cấu sản phẩm, các bản vẽ lắp chung của sản phẩm, các cụm máy ), chuẩn bị công nghệ (đảm bảo tính năng công nghệ của kết cấu, thiết lập quy trình công nghệ), thiết kế và chế tạo các trang bị công nghệ và d ng cụ phụ kế hoạch hóa quá trình sản xuất và chế tạo sản phẩm trong thời gian ấn định
Ngày nay khoa học kỹ thuật phát triển như vũ bão đòi hỏi người kỹ sư phải không ngừng nâng cao lượng thông tin trong tất cả các khâu của quá trình chuẩn bị sản xuất Theo các nhà khoa học đã phân tích thì tình hình thiết kế hiện nay cho thấy 90% khối lượng thời gian thiết kế là để tra cứu số liệu cần thiết cho
6 việc tính toán , chỉ có 10% thời gian giành cho lao động sáng tạo và quyết định Cho nên khoảng 90% khối lượng công việc trên có thể thực hiện bằng máy tính điện tử hoặc máy vẽ tự động Việc làm này vừa chính xác hơn, vừa chất lượng hơn
Trong sản xuất hàng loạt nhỏ, do đặc điểm là số lượng chi tiết trong loạt ít , số chủng loại lại nhiều cho nên khối lượng thời gian chuẩn bị cho sản xuất rất lớn, mà dạng sản xuất này hiện đang chiếm ưu thế trong nền kinh tế thị trường hiện nay Tất cả điều đó phải đòi hỏi tạo ra phương pháp thiết kế mới nhờ máy tính điện tử
CAD/CAM là một lĩnh vực nghiên cứu nhằm tạo ra các hệ thống tự động thiết kế và chế tạo Nó dùng máy tính điện tử để thực hiện một chức năng nhất định để thiết kế và chế tạo sản phẩm Tự động hóa chế tạo là dùng máy tính điện tử để kế hoạch hóa, điều khiển quá trình sản xuất, điều khiển quá trình cắt gọt kim loại và kiểm tra nguyên công gia công
CAD/CAM kết nối với nhau tạo ra mối quan hệ mật thiết giữa hai dạng hoạt động là thiết kế và chế tạo mà lâu nay người ta coi là khác nhau và không phục thuộc vào nhau Tự động hóa thiết kế là dùng các hệ thống và phương tiện tính toán giúp người kỹ sư để thiết kế mô phỏng, phân tích và tối ưu hóa giải pháp thiết kế Phương tiện bao gồm máy tính điện tử, các máy vẽ, máy in, thiết bị đục lỗ băng phương tiện lập trình bao gồm chương trình máy,cho phép đảm bảo giao tiếp với máy vẽ và các chương trình ứng dụng để thực hiện chức năng thiết kế
Ví dụ, các chương trình ứng dụng có thể là phần mềm phân tích lực và ứng suất trong kết cấu, phần mềm tính toán đặc tính động lực học của máy, hoặc chương trình gia công chi tiết trên máy điều khiển theo chương trình số NC hay CNC.
Mỗi một hãng, viện nghiên cứu hoặc cơ sở sản xuất có những tập hợp chương trình ứng dụng khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện sản xuất
Hệ thống CAD/CAM là một thành phần cốt lõi của CIM (Computer Integrated Manufacturing), kết nối thiết kế và gia công thành một chu trình sản xuất liên thông Hệ thống được quản lý và vận hành dựa trên cơ sở dữ liệu trung tâm, cho phép lưu trữ, chia sẻ và cập nhật thông tin kỹ thuật một cách nhất quán và an toàn Với khả năng lập kế hoạch sản xuất, tạo biểu đồ theo dõi tiến độ và cung cấp các chỉ dẫn chi tiết, CAD/CAM giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và đảm bảo mục tiêu của kế hoạch nhà máy được thực thi hiệu quả Các thông tin do hệ thống cung cấp giúp nhà máy đưa ra quyết định nhanh chóng và đúng đắn, nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
1.1.2 Lịch sử phát triển của CAD/CAM
Lúc đầu CAD/CAM là hai ngành phát triển tách biệt nhau, độc lập với nhau trong khoảng 30 năm Hiện nay chúng được tích hợp thành một hệ, trong
7 đó thiết kế có thể lựa chọn phương án tối ưu và quá trình sản xuất có thể được giám sát và điều khiển từ khâu đầu đến khâu cuối
Phần mềm CAD đầu tiên, Sketchpad, xuất hiện vào năm 1962 và được viết bởi Ivan Sutherland tại Massachusetts Institute of Technology (MIT) Hiện nay trên thế giới có hàng ngàn phần mềm CAD, và AutoCAD là một trong những phần mềm thiết kế nổi tiếng nhất AutoCAD phiên bản đầu tiên (Release 1) được công bố vào tháng 12.
1982 Cho đến năm 1997 thì đã có phiên bản thứ 14 (Release 14) Từ năm 2000 đến nay, gần như mỗi năm đều có ra đời phiên bản mới
Cũng như hệ CAD, hệ CAM được phát triển ứng dụng đầu tiên tại MIT cho các máy gia công điều khiển số CNC (Computer Numerical Control) bằng máy vi tính vào đầu những năm 1970.Hệ tích hợp CAD/CAM ra đời vào giữa những năm 1970 và 1980
Hình 1.1:Sơ đồ phát triển của hệ thống CAD/CAM.
Một số khái niệm cơ bản
1.2.1Khái niệm về công cụ CAD/CAM
CAD/CAM là từ viết tắt của thiết kế/ sản xuất có sự trợ giúp của máy tính (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing) và có nghĩa là sử dụng máy tính để thiết kế và sản xuất
Sản xuất hàng hóacó nghĩa là hàng hóa được sản xuất vì mục đích trao đổi và đáp ứng các yêu cầu của con người trong xã hội
Quá trình thiết kế sản phẩm bắt đầu từ việc nhà thiết kế hoặc người lên kế hoạch phác thảo hình dáng và các tính năng nổi bật của sản phẩm Các phác thảo ban đầu được thực hiện bằng bút chì, giấy, thước và tẩy để xác định hình dáng và chức năng cần thiết nhằm tích hợp vào sản phẩm cuối cùng.
8 Đây được gọi là thiết kế sản phẩm
Sản phẩm mẫu sẽ được sản xuất để đánh giá và kiểm tra sự thích hợp của sản phẩm cũng như kiểm tra cấu hình sản phẩm trong lĩnh vực sản xuất và các trình tự lặp lại trong sản xuất, kiểm tra và đo lường bởi chính các nhà thiết kế hoặc công nhân
Máy tính đã thay thế toàn bộ quá trình thiết kế và gia công, kể cả các tác vụ trước đây được thực hiện bằng các công cụ gia công thủ công như giấy, bút chì, thước và thiết bị cắt Sự tiến bộ này đi kèm với bản nâng cấp trình tự công việc, thiết kế và gia công được thực hiện hoàn toàn trên máy tính, mang lại sự tối ưu hóa quy trình sản xuất và tính nhất quán cao giữa các bước chế tác.
Quá trình thiết kế và gia công hàng hóa bằng CAD/CAM được hiện thực hóa thông qua việc phát triển các phần mềm gia công có khả năng tương thích với phần cứng máy tính và dữ liệu đồ họa Ý nghĩa cơ bản của CAD/CAM là sử dụng máy tính trong thiết kế, sản xuất, chế tạo và gia công nhằm đối phó với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, thúc đẩy tự động hóa thiết kế, chế biến và chế tạo, và hướng tới tự động hóa không người lái; đồng thời CAD/CAM tích hợp công nghệ tự động hóa vào quy trình công nghiệp hiện đại, bất chấp sự khác biệt về mục tiêu giữa các bên liên quan trong ngành.
Kết quả mô hình hóa từ hệ thống CAD/CAM (Autodesk Inventor)
( HP Designjet T3500) (Projet 460 Plus-Full CMY) (Dongbu Lightec FA-753)
Máy in 2D Máy in 3D Máy CNC (a) Thiết bị đầu ra cho hệ thống CAD/ CAM
Hình 1.2: Ví dụ về sử dụng hệ thống CAD/ CAM
Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính (CAD) có thể được định nghĩa như là khái niệm phát triển thiết kế sản phẩm bằng việc áp dụng công nghệ máy tính trong thiết kế và thiết kế bằng máy tính từ giai đoạn khái niệm cơ bản đến định hình và mô hình sản xuất, giai đoạn cuối của quá trình sản xuất Đặc biệt, nó là khái niệm của tự động hóa thiết kế để biểu diễn các bản vẽ 2D, mô hình 3D, giai đoạn thiết kế và kiểm tra Tuy nhiên, CAD đóng vai trò trong việc thiết kế sản phẩm một cách hiệu quả cho người dùng hoặc nhà thiết kế bằng cách biểu thịdữ liệu cho thiết kế bằngmô hình 2D và 3D với khả năng xử lý các dữ liệu khác nhau định dạng bởi máy tính Ứng dụng CAD với những khái niệm như vậy được phân loại như sau: Phác thảo bằng máy tính
Trong quá khứ, người ta phác họa các bản vẽ bằng thước và bút chì nhưng nay, các bản vẽ được thực hiện bởi các phẫn mềm vẽ và máy tính và nó là bản mô phỏng theo các bản vẽ hiện hành
(a) Hình dáng 2D của xe bus (b) Bề mặt 3D của xe bus Hình 1.3: Hình 2D và mô hình 2D (hệ thống VX)
Thiết kế bằng máy tính (CAD) là giai đoạn được ứng dụng rộng nhất trong công nghiệp hiện đại, nối liền ý tưởng thiết kế với quá trình sản xuất CAD cho phép tính toán, phân tích và tối ưu hóa các yếu tố thiết kế, đồng thời quản lý dữ liệu từ giai đoạn giới thiệu sản phẩm đến sản xuất thực tế, bao gồm cả phần cứng và phần mềm Việc áp dụng CAD giúp lựa chọn và xử lý dữ liệu thiết kế một cách hiệu quả, tăng tính nhất quán và rút ngắn thời gian đưa sản phẩm ra thị trường.
Được thiết kế cho nhóm nghiên cứu và thiết kế (R&D) tham gia thử nghiệm sản phẩm và làm việc trong phòng thí nghiệm, bài viết mô tả quá trình chuyển từ đánh giá tính ổn định, hiệu quả và sự phù hợp của sản phẩm với các mẫu thí điểm sang ứng dụng máy tính và phần mềm để kiểm tra, phân tích và mô phỏng Phương pháp này được mở rộng cho các tình huống tương tự nhằm kiểm tra trạng thái sản phẩm một cách chính xác và hỗ trợ xử lý bằng hình ảnh để hiểu rõ hơn về hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
10 Đây là công nghệ yêu cầu dữ liệu để xử lý và sản xuất sản phẩm với mô hình máy tính dựa trên khái niệm chế tạo sản xuất có sự trợ giúp của máy tính (CAM) nghĩa là gia công với máy CNC, lập kế hoạch quy trình (quyết định phương thức và quy trình sản xuất), quản lý sản xuất và lập kế hoạch vật liệu yêu cầu (MRP: kế hoạch để tối ưu hóa quá trình sản xuất bằng cách kiểm soát dòng nguyên liệu từ đặt hàng các nguyên liệu thô đến sản xuất sản phẩm cuối cùng), quá trình và ứng dụng công nghệ máy tính trong toàn bộ quá trình như kiểm tra, lắp ráp và sản xuất
-Lập trình CNC bằng máy tính
Viết chương trình để điều khiển máy CNC
-Kế hoạch tự động hóa quy trình bằng máy tính
Tạo lệnh gia công để sản xuât sản phẩm hoặc bộ phận
-Thiết lập tiêu chuẩn làm việc bằng máy tính
Thiết lập tiêu chuẩn thời gian cho từng trình tự bởi quy trình sản xuất dựa trên tiêu chuẩn thời gian làm việc
-Lập kế hoạch tiến độ sản xuất bằng máy tính
Thiết lập tiến độ dựa trên kế hoạch quá trình trong nhà máy bằng máy tính -Lập kế hoạch cung cấp nguyên liệu bằng máy tính
Thiết lập kế hoạch cung cấp và quản lý đối với các nguyên liệu cần thiết và nguyên liệu dư thừa để đạt được kế hoạch quy trình và tiến độ sản xuất
-Kiểm soát luồng quy trình
Kiểm soát dây chuyền sản xuất và vị trí thiết bị bằng máy tính để duy trì hệ thống quy trình đúng giờ cho sản xuất linh hoạt
Tuy nhiên cuốn sách này chỉ đề cập đến sản xuất có sự trợ giúp của máy tính trong quá trình gia công cơ khí với CNC bởi sự hạn chế về thời gian và khối lượng công việc quá lớn để có thể bao quát được kỹ thuật sản xuất
Ngoài ra, quy trình thiết kế sản phẩm và phân tích trước đótrực tiếp sản xuất để kiểm tra, xem xét và đánh giá về độ bền và khả năng của sản phẩm, gây ra một sự lãng phí lớn về tiền bạc và thủ tục cho công ty
Hình 1.4: Ví dụ về CAM (máy móc sản xuất) (Hệ thống NX, tập đoàn SIEMENS )
Hình 1.5: Ví dụ về hệ thống CAE (hệ thống NX, tập đoàn SIEMENS)
Tuy nhiên, nhờ sự phát triển trong việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn, một lĩnh vực của phân tích kỹ thuật với kỹ thuật lập trình máy tính từ những năm 1950, các thử nghiệm mô phỏng và đánh giá đã được thực hiện bởi máy tính giúp phân tích trước và tiết kiệm được thời gian, chi phí sản xuất sản phẩm sau khi đánh giá rằng không có vấn đề từ các mô phỏng máy tính Đây được gọi là phân tích kỹ thuật có sự trợ giúp của máy tính (Computer Aided Engineering)
Hình 1.7: Biểu đồ giữa CAD/CAM và quy trình sản xuất sản phẩm
1.2.2 Các phương pháp điều khiển Điều khiển điển (hay điều khiển theo vị trí) được dùng để gia công các lỗ bằng các phương pháp khoan, khoét, doa và cắt ren lỗ Ở đây chi tiết gia công được gá cố định trên bàn máy, dụng cụ cắt thực hiện chạy dao nhanh đến các vị trí đã lập trình Khi đạt tới các điểm đích dao bắt đầu cắt (hình 1-8a), tuy nhiên cũng có trường hợp dao không dịch chuyển.mà bàn máy dịch chuyển mục đích chính cần đạt là các kích thước vị trí của các lỗ phải chính xác, còn quĩ đạo chuyển động là của dao hay của bàn máy điều không có ý nghĩa lắm
Vị trí của các lỗ có thể được điều khiển đồng thời theo hai trục hoặc điều khiển kế tiếp nhau
Mối quan hệ CAD/CAM trong quá trình sản xuất
Quá trình sản xuất sản phẩm là quá trình mà ở đó sản phẩm được lên kế hoạch, thiết kế, sản xuất và chuyển đến tay khách hàng và chúng ta cần phải
16 hiểu rõ vị trí của CAD/CAM trong quá trình này Hình 1.6 cho thấy mỗi quan hệ giữa chu kỳ sản xuất và CAD/CAM
Dù rằng có vẻ như quá trình sản xuất chỉ dựa trên một nguyên tắc đơn giản là theo nhu cầu của khách hàng đối với sản phẩm (nhu cầu thị trường), nhưng quá trình sản xuất thực sự được quyết định bởi các yếu tố phức tạp như trình độ kỹ thuật và sự thay đổi của thị trường tiêu thụ
Việc phân biệt CAD và CAM thường rất khó cho đến khi sản phẩm được tung ra thị trường, và hình 1.6 phần nào làm rõ sự khác biệt này Như trong hình 1.6, hình ảnh hoặc ý tưởng về sản phẩm được hiện thực hóa bởi con người; CAD bao gồm thiết kế, kiểm tra thiết kế và các thay đổi thiết kế dựa trên kết quả phân tích, còn CAM mô tả cách đẩy nhanh quá trình sản xuất ngoài thiết kế, ví dụ như thiết kế sản xuất và lập kế hoạch sản xuất nhằm tối ưu hóa quá trình lắp ráp.
Do đó, chúng ta phải suy nghĩ về việc phải chăng hệ thống sản xuất hiện tại sử dụng hệ thống CAD/CAM trong thiết kế và sản xuất và hệ thống sử dụng có hiệu quả máy tính và con người trong công ty sản xuất hay các bộ phận liên quan sẽ hiểu được toàn bộ các vấn đề của hệ thống CAD/CAM như ứng dụng, toàn cảnh và định nghĩa hay không
1.3.1 Sự cần thiết của CAD/CAM
Sự đổi mới trong lĩnh vực thiết kế và sản xuất như tự động hóa văn phòng (OA) là lý do khiến hệ thống CAD/CAM tỏa sáng trong xã hội công nghiệp Chính hệ thống CAD/CAM tạo nên cơ hội đột phá cho các nước công nghiệp phát triển đạt được xóa bỏ lao động, hợp lý hóa và tiêu chuẩn hóa Nó tập trung vào sự cần thiết đối với các ứng dụng hệ thống CAD/CAM Ở đây, nó bao gồm nền tảng cho hệ thống CAD/ CAM trong xã hội công nghiệp
1.3.1.1 Sự thay đổi của thị trường
- Yêu cầu tiêu dùng đa dạng
Khi nền kinh tế phát triển cuộc sống của con người trở nên tốt hơn yêu cầu tiêu dùng cũng trở nên đa dạng Điều này dẫn đến các công ty sản xuất cần phải phát triển nhiều sản phẩm khác nhau để đáp ứng cho từng đối tượng khách hàng khác nhau
- Cạnh tranh khốc liệt về giá
Sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp đã thúc đẩy sự hình thành nhiều nhà máy và công ty Nhiều doanh nghiệp khác nhau cung cấp các sản phẩm tương tự, dẫn đến cuộc cạnh tranh về giá gay gắt Trong bối cảnh này, những sản phẩm có mức giá thấp hơn nhưng chất lượng tương đương nhanh chóng được người tiêu dùng ưa chuộng, buộc các nhà sản xuất phải tối ưu chi phí và cải tiến quy trình để duy trì lợi thế cạnh tranh.
Mở rộng trường hợp nêu trên trong khu vực quốc tế, sản phẩm với mức giá thấp và chất lượng như nhau tự nhiên làm tăng thêm tính cạnh tranh trong mức giá và chất lượng sản phẩm quốc tế
Một sản phẩm hướng đến khách hàng ở những tầng lớp khác nhau tự nhiên mang đến nhiều loại sản phẩm hoặc mô hình sản xuất Cần phải đơn giản hóa và gộp kiến thức về các sản phẩm khác nhau
- Rút ngắn vòng đời sản phẩm
Bởi vì nhu cầu của khách hàng về kiểu cách thay đổi nhanh chóng từ màu sắc, chức năng, hình dáng, kích thước và các công ty đáp ứng xu hướng
1.3.1.2 Thay đổi trong thiết kế
- Cạnh tranh gay gắt trong phát triển sản phẩm mới
- Các công ty phải đa dạng hoá sản phẩm để đáp ứng nhu cầu khác nhau của khách hàng, chắc chắn sẽ tạo ra những đối thủ để phát triển sản phẩm mới hợp xu hướng
- Nhiều yêu cầu hơn đối với sản phẩm chất lượng cao và mức giá thấp
- Trong môi trường cạnh tranh gay gắt, người tiêu dùng thường so sánh chất lượng và giá cả sản phẩm dựa trên mong muốn khác nhau, nó làm tăng mức độ tiêu dùng và tính cạnh tranh của sản phẩm, điều này khiến các công ty phát triển sản phẩm với chất lượng cao và giá thấp
- Rút ngắn chu trình thiết kế
- Các điều 1 và 2 phía trên rút làm ngắn vòng đời sản phẩm cũng như giai đoạn phát triển sản phẩm mới
- Gia tăng công việc thiết kế bởi sự đa dạng đặc điểm kỹ thuật sản phẩm Việc rút ngắn chu trình thiết kế và đa dạng hoá mẫu tăng chất lượng sản phẩm đã được phát triển và quản lý bởi các công ty và mở rộng mức phổ biến của đặc điểm kỹ thuật của sản phẩm trong thiết kế và phát triển
1.3.1.3 Thay đổi môi trường sản xuất
- Sản xuất hàng loạt số lượng nhỏ
Chu kỳ sản phẩm ngắn hơn dẫn điến việc thay đổi liên tục về mẫu và thiết kế, nhanh chóng thay đổi dây chuyền sản xuất và phát triển các sản phẩm khác nhau nhằm đáp ứng nhu cầu của khách hàng Do đó, các nhà máy sản xuất sẽ sản xuất đủ loại sản phẩm
- Mở rộng tự động hóa sản xuất
Sự gia tăng áp dụng tự động hoá nhà máy làm giảm đáng kể chi phí lao động và nâng cao năng suất
- Tăng tỷ lệ hoạt động của máy móc
Công ty tự động hoá thiết bị nhằm sử dụng hết các thiết bị và ngăn ngừa lỗi trong các trong thử nghiệm Nó có nghĩa loại bỏ những hạn chế trong sản xuất bởi các sự cố
1.3.1.4 Thay đổi về nguồn nhân lực
Phần cứng, phân mềm và cơ sở dư liệu CAD/CAM
CAD/CAM có thể được phân loại như các ngành công nghiệp thứ cấp với sự hài hòa của các phần cứng và phần mềm máy tính Đặc biệt, các máy tính đã được sử dụng một cách hiệu quả trong việc quản lý trong lĩnh vực quản lý và đã được mở rộng đến CAD / CAM
Bởi thế, máy tính là yếu tố quan trọng nhất trong CAD/CAM và nội dung chương này bao gồm phần cứng và phần mềm CAD/CAM sau khi đã hiểu rõ các khái niệm, nguyên tắc hoạt động và công nghệ của máy tính Đặc biệt, phần mềm CAD/CAM đã được sử dụng trong một hệ thống lớn hơn là một chiếc máy tính nhỏ bé nhưng sự phát triển nhanh chóng của máy tính cá nhân (PC) đã dẫn đến việc sử dụng phần mềm CAD/CAM bằng máy tính và người bình bình thường có thể dễ dàng truy cập vào lĩnh vực này
Trong những năm 1990, sự phát triển nhanh chóng của phần cứng máy tính cho CAD/CAM và các hệ thống 3D CAD/CAM, cùng với tiến bộ của kỹ thuật mô hình hóa 3D, đã cho phép thực hiện các tính năng kỹ thuật cao tại các trạm làm việc kỹ thuật và ở cấp độ máy tính.
Hình 1.13: Mối liên hệ giữa máy tính và người dùng
Hiện nay, có thể nói rằng máy tính là thiết bị điện tử được vận hành và sử dụng dựa trên nền tảng toán học và logic Các phần cứng của máy tính bao gồm:
- Đơn vị xử lý trung tâm (CPU)
- Bộ nhớ phụ hoặc bộ phận lưu trữ tập tin (file)
Hình 1.14: Sơ đồ khối và dòng dữ liệu Ở đây, như trong hình 1.14, CPU bao gồm bộ điều khiển, bộ số học – logic và đơn vị xử lý trung tâm, các tín hiệu qua lại trao đổi bên trong các thiết bị của máy tính, tín hiệu và các lệnh giữa thiết bị đầu vào và đầu ra
1.4.2 Đơn vị xử lý trung tâm (CPU)
CPU là phần cốt lõi của hệ thống máy tính, đảm nhận vai trò xử lý dữ liệu và điều phối các hoạt động của toàn bộ hệ thống Nó nhận dữ liệu từ thiết bị đầu vào, xử lý số liệu và thực hiện các phép toán cần thiết, sau đó gửi kết quả tới hệ thống lưu trữ hoặc thiết bị đầu ra, hoặc lưu trữ để sử dụng sau CPU được thiết kế để thực hiện các công việc trên với hiệu suất và độ tin cậy cao, đảm bảo hoạt động liên tục của máy tính.
- ALU: Bộ số học và logic
Bộ nhớ là hoàn toàn khác với đơn vị lưu trữ tập tin hoặc bộ nhớ phụ Hai đơn vị bộ nhớ này lưu trữ dữ liệu được thể hiện như những con số được mã hóa hoặc các ký tự và được xử lý dữ liệu bằng cách nhóm các số hoặc ký tự được mã hóa như mong muốn Ở đây, mỗi nhóm được lưu trữ vào một phần của bộ nhớ với nhận dạng duy nhất và được gọi là địa chỉ
Mục tiêu chính của bộ nhớ là để giữ và lưu trữ dữ liệu Các con số hoặc các ký tự từ thiết bị đầu vào được gửi đến đơn vị xử lý để phân tích và kết quả sẽ
21 được gửi trở lại bộ nhớ Ở đây, dữ liệu tạm thời được lưu trữ vào bộ nhớ trước khi nó được truyền đển thiết bị đầu ra
Mục đích thứ hai của bộ nhớ là lưu trữ các hướng dẫn của chương trình cần thiết cho hoạt động của máy tính Các hướng dẫn này thường được mã hóa dưới dạng số, được đọc từ các thiết bị đầu vào như bàn phím hoặc chuột và đưa vào bộ nhớ, rồi sau đó bộ xử lý số học – logic (ALU) và bộ điều khiển thực hiện các thao tác cần thiết.
Bộ bao gồm các bộ số học thực hiện các phép tính (cộng, trừ, nhân, chia) và bộ logic để phân biệt tăng hoặc giảm và lựa chọn đường dẫn phụ thuộc vào chạy chương trình
Bộ đơn vị số học – logic bao gồm hơn 1 thanh ghi Ở đây, mỗi thanh ghi bao gồm các mạch điện Chức năng như sau
Thanh ghi là đơn vị lưu trữ dữ liệu đặc biệt trong CPU, đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý thông tin Kích thước của thanh ghi phụ thuộc vào số bit của dữ liệu trên các thiết bị điện tử, và hầu hết các hệ thống sử dụng thanh ghi từ 4 đến 64 bit Trong hệ nhị phân, dữ liệu được thể hiện bằng các chữ số 0 và 1; mỗi nhóm 4 bit tạo thành một nibble, cho phép đại diện cho 16 giá trị khác nhau Việc xử lý dữ liệu của máy tính dựa trên kích thước thanh ghi và cách mã hóa nhị phân, giúp tối ưu hiệu suất và tính toán của CPU.
Đó là một phần của CPU và làm cho máy tính hoạt động dựa trên các chỉ dẫn có trong chương trình Các chỉ dẫn được liên tục từ bộ nhớ truyền đến bộ điều khiển, nơi bộ điều khiển chuyển các lệnh để kích hoạt các thiết bị và phát ra các tín hiệu tương ứng nhằm điều khiển hoạt động của toàn bộ hệ thống.
1.4.2.4 Bộ nhớ chính (bộ nhớ trong)
Bộ nhớ thể hiện hoặc là 0 hoặc là 1 với các bit cơ bản (8 bits = 1 byte) và 1 byte là đơn vị cơ bản thể hiện một ký tự duy nhất
Các từ trong máy tính bao gồm 4, 8, 12, 16, 32 hoặc 64 bits, có địa chỉ trong bộ nhớ và CPU tìm dữ liệu với địa chỉ để xử lý Các nội dung xử lý hay dữ liệu được lưu trữ vào bộ nhớ và được dùng đến trong tương lai
Phụ thuộc vào tính năng lưu trữ mà ta có bộ nhớ vĩnh viễn hay bộ nhớ tạm
Bộ nhớ phụ bao gồm trong bộ nhớ vĩnh viễn và bộ nhớ chính bao gồm trong bộ nhớ tạm bởi vì tất cả các dữ liệu trong bộ nhớ chính sẽ biến mất nếu như nguồn điện cung cấp cho máy tính bị cắt trong khi hoạt động
Xử lý dữ liệu bằng máy tính nghĩa là máy tính chuyển tất cả các dữ liệu cần thiết đến bộ nhớ chính để xử lý Điều này đánh giá khả năng xử lý dữ liệu phụ thuộc vào sức chứa bộ nhớ của bộ nhớ chính Tuy nhiên, bộ nhớ phụ có thể
22 được sử dụng trong quá trình xử lý dữ liệu mặc dù bộ nhớ chính có công suất thấp
Khả năng công nghệ của phần mềm CAD/CAM
Trong các hệ thống CAD/CAM, phần mềm đồ họa đóng vai trò là cầu nối giữa người dùng và máy tính Nó định dạng toàn bộ dữ liệu nhập/xuất, bao gồm hình vẽ, và cung cấp kết quả cho người dùng, đồng thời chuyển đổi dữ liệu và hình vẽ thành các tín hiệu điện để máy tính có thể xử lý.
Phần mềm đồ họa trong hệ thống CAD/CAM là tập hợp các chương trình đặc biệt, mỗi ứng dụng được thiết kế để chạy như một lệnh nhằm tạo hình ảnh hiển thị trên màn hình bằng cách thực thi các chức năng đồ họa của hệ thống CAD/CAM.
Phầm mềm đồ họa trong hệ thống CAD/CAM đưa người dùng đến cách lệnh được đưa ra bởi hệ thống phần mềm đồ họa để tạo các lệnh do người dùng quy định trong CAD/CAM để thực hiện từng lệnh có chủ đích nếu như người dùng thấy bất tiện và các chức năng còn thiếu được viết bởi các chuyên gia lập trình
Nó được gọi là chương trình lập trình CAD/CAM và được kích hoạt bởi hệ thống ngôn ngữ đồ họa (ngôn ngữ đồ họa CAD/CAM hay ngôn ngữ CAM)
Như đã nói ở trên, công việc chính được thực hiện bởi phần mềm hệ thống CAD/CAM là giữ vai trò trung gian giữa nhà thiết kế hay con người với máy tính (Xem hình 4.1)
Phần mềm CAD/CAM chuyển đổi dữ liệu hình vẽ thành ý nghĩa số (tín hiệu điện) để máy tính nhận dạng khi con người đưa dữ liệu hình như hình vẽ vào máy tính Ở chiều ngược lại, số hoặc kết quả của quá trình máy tính sẽ được hiển như dạng hình vẽ để dễ hiểu Ở đây, thiết bị vận hành phần mềm cho mỗi thiết bị phần cứng đồ họa có vai trò quan trọng trong phần mềm CAD/CAM và chương trình đưa ra các thông tin liên quan (kỹ thuật lập trình) tới người dùng để trực tiếp tạo chương trình và vận hành thiết bị đồ họa Chương trình cho người dùng vận hành thiết bị đồ họa được gọi là chương trình ổ cứng đồ họa
Hệ thống CAD/CAM bao gồm 6 modules quan trọng ứng dụng hệ thống để thiết kế và sản xuất:
Hình 1.38: Cấu trúc cơ bản của hệ thống CAD/CAM
Hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu (DBMS) có thể được thêm vào để quản lý các dữ liệu được xuất ra từ hệ thống CAD/CAM với những modules này Chức năng tiên quyết là kết nối hệ thống CAD/CAM tới DBMS để quản lý năng suất một cách có hệ thống Đó là lý do tại sao ngành quản trị dữ liệu sản phẩm (PDM) và quản trị vòng đời sản phẩm (PLM) nổi lên.PDM bao gồm các vấn đề quản lý trong lĩnh vực thiết kế và sản xuất, PLM bao gồm toàn bộ quá trình sản xuất như lập kế hoạch sản phẩm, nghiên cứu trước, thiết kế, sản xuất, chất lượng, bán hàng và thanh lý a.Module đồ họa
Module đồ họa cung cấp mọi chức năng cho dữ liệu đầu vào và đầu ra tạo hình ảnh trên màn hình và bao gồm 2 phần chính
Phần xử lý dữ liệu nhập/ xuất để tạo đồ họa
Phần hiển thị kết quả nhập/xuất Đầu tiên là để người dùng vận hành mà không cần quan tâm đến thiết bị, có nghĩa rằng người dùng xử lý các dữ liệu và gửi kết quả đến phần cứng dù rằng họ không biết các lệnh phần cứng và sau đó là để hiển thị các dữ liệu đã
39 được tính toán và xử lý với các dạng ở chỗ cần thiết để hiểu người dùng rõ hơn
Cả hai điều trên đều nhằm mục tích có thể xem kết quả dù cho người dùng không quan tâm đến thiết bị
Các lệnh xử lý đồ họa được cung cấp bởi phần mềm CAD/CAM như sau:
- Lệnh tạo các yếu tố đồ họa Đó là lệnh được dùng để hiển thị hình dáng trên màn hình và được gọi là lệnh tạo hoặc lệnh phát Nó có nghĩa là lệnh cho các dạng hình học như điểm, đường, đường cong và vòng tròn chỉ để tạo thành các hình dạng
- Lệnh kiểm soát tầm nhìn
Lệnh phóng đại phần lớn hay một phần của hình vẽ trên màn hình và bao gồm chỉnh tăng và chỉnh giảm tỷ lệ Tính năng này thể hiện sự khác biệt giữa khoảng cách xa và gần và những thay để làm thế nào để nhìn mà không cần thay đổi dữ liệu nhập vào và kích thước của vật thể
- Lệnh chuyển đổi dữ liệu
Lệnh này được dùng để tạo dữ liệu mới từ nội dung hiện có bằng cách tịnh tiến hình ảnh trên màn hình đến vị trí khác, quay quanh một trục hoặc điểm đối xứng, trục hay mặt phẳng và sao chép các hình dạng đã có; nó thay đổi tọa độ của các đối tượng để thực hiện các thao tác như tịnh tiến, quay, sao chép, đối xứng và gương.
Lệnh được dùng để tạo điểm mới bằng cách sửa đổi dữ liệu hình dạng hiện có và bao gồm cắt, phá vỡ, chia nhỏ và dung sai b.Module tài liệu
Module tài liệu cung cấp các ký tự để sửa đổi, trong khi module đồ họa cung cấp đồ họa để viết một bản vẽ hoặc tài liệu Phương pháp tương tác và sự phân tách được dùng để phân biệt chức năng và phương pháp từ bản vẽ.
Trong thiết kế, tài liệu được phân thành hai phần chính: phần bản vẽ và phần không vẽ Bản vẽ kỹ thuật, dù ở dạng từng phần hay một tập hợp bản vẽ, đòi hỏi sử dụng ký tự tiêu chuẩn và các chức năng đồ họa phù hợp để thể hiện đầy đủ kích thước và ghi chú cho các bản vẽ.
40 a)Mô hình lắp ráp b) Mô hình gốc để gia công
Hình 1.39 trình bày mô hình 3D được xây dựng theo module hình học Phương pháp đo nhằm tạo ra hoàn chỉnh một hình ảnh gồm tọa độ và các phương pháp đo thuần túy, trong khi CAD/CAM chỉ được sử dụng ở bước sau Hiện nay, nhiều hệ thống đã triển khai các phương pháp nhập kích thước bán tự động, đòi hỏi nhận dạng hình học để nhập kích thước qua bàn phím ở dạng chữ số và lưu giữ các ký tự, mũi tên, đường dẫn và độ dung sai Tất cả ký tự dùng để nhập kích thước được lưu trữ trong thư viện biểu tượng.