Dự kiến, Microsoft Excel, AutoDesk Inventor và AutoCAD Mechanical có thể được sử dụng cho mục đích tính toán thiết kế các chi tiết máy; AutoCAD, AutoCAD Mechanical và AutoDesk Inventor c
Trang 1CHƯƠNG TRÌNH GIÁO DỤC ĐẠI HỌC
NGÀNH ĐÀO TẠO: CÁC NGÀNH KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: CÁC NGÀNH CƠ KHÍ
ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT HỌC PHẦN THIẾT KẾ SẢN PHẨM VỚI CAD – MEC 421
(Học phần bắt buộc)
1 Tên học phần (ghi cả phần mã số): Thiết kế sản phẩm với CAD – MEC 421
2 Số tín chỉ: Tổng số 2 tín chỉ lý thuyết;
3 Trình độ cho sinh viên năm thứ: Ba/Tư
4 Phân bổ thời gian:
- Lên lớp lý thuyết: 24 tiết
- Thực hành/ thảo luận: 06 tiết x 2 = 12 tiết
5 Các học phần học trước: Vẽ kỹ thuật cơ khí, Chi tiết máy
6 Học phần thay thế, học phần tương đương: Học phần mới, không có môn tương
đương hoặc thay thế
7 Mục tiêu của học phần:
1 Giúp sinh viên làm quen và thực hành các bước của một tiến trình tính toán, thiết
kế hoặc thiết kế lại với sự trợ giúp của máy tính;
2 Phát triển kỹ năng thiết kế các sản phẩm độc lập, có tính thực tiễn và đầy đủ chức năng ứng dụng cho sinh viên;
3 Giúp sinh viên thực hành kỹ năng thiết kế sản phẩm cơ khí có trợ giúp của máy tính, hoàn chỉnh các bản vẽ từ phác thảo, vẽ lắp, vẽ chế tạo, phiếu vật liệu cho đến báo cáo kỹ thuật hoàn chỉnh;
4 Giúp sinh viên phát triển kỹ năng giao tiếp kỹ thuật trong cả báo cáo viết và thuyết trình kết quả
5 Phát triển kỹ năng chuẩn bị báo cáo kỹ thuật toàn diện của một thiết kế sản phẩm mới;
8 Mô tả vắn tắt nội dung học phần:
Nghiên cứu quá trình thiết kế cơ khí các sản phẩm chức năng và đang được sử dụng từ lý thuyết căn bản đến triển khai thực sự; bao gồm các chủ đề của CAD Thảo luận quá trình thiết kế
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC
KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Trang 2trong các bài tập tình huống - thiết kế lại sản phẩm sử dụng CAD; Học phần yêu cầu một đồ án kèm theo một tài liệu thiết kế chuyên nghiệp bao gồm vẽ lắp, vẽ chi tiết bằng CAD, báo cáo phân tích thiết kế và giá thành sản phẩm Đồ án có cùng tên với tên môn học, có đề cương đính kèm
9 Nhiệm vụ của sinh viên:
1 Dự lớp: có
2 Dụng cụ học tập: Vở ghi, bút viết, máy vi tính;
3 Bài tập về nhà: có
5 Thực hành tại phòng máy tính
10 Tài liệu học tập:
• Bài giảng “Thiết kế sản phẩm với CAD” – Bộ môn Thiết kế cơ khí; cập nhật hàng năm
• Product design in a CAD Environment, J DiCorso, University of New York at Buffalo
• Tài liệu đọc thêm: Các tài liệu hướng dẫn sử dụng AutoCAD Mechanical, AutoDesk Inventor, SolidWorks, Catia, TopSolid
11 Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên:
1 Dự lớp: ≥ 80% tổng số thời lượng của học phần
2 Thảo luận: thực hành tại phòng máy tính, ít nhất có cài đặt các phần mềm sau:
AutoCAD Mechanical 6, AutoDesk Inventor 10 trở lên
Ghi chú : Trong trường hợp không thể bố trí thực hành có hướng dẫn, học sinh phải tự thực hành trên máy của cá nhân của mình Giờ thực hành sẽ được bố trí như các buổi thảo luận, giáo viên và học sinh cùng trao đổi về giải pháp cho các vấn đề mà học sinh còn vướng mắc khi làm ở nhà
3 Chuyên cần: có
4 Bài tập: 01 đồ án kết thúc môn học
5 Kiểm tra giữa học phần: điểm chấm thuyết minh thực hành trên máy;
6 Thi kết thúc học phần: Thi trên máy, do giáo viên đánh giá trực tiếp theo các đề thi do
bộ môn thông qua
7 Khác: Không
12 Thang điểm: Thang điểm 10 (làm tròn đến phần nguyên), bao gồm:
1 Điểm đánh giá bộ phận tỷ trọng gồm:
- Kiểm tra giữa kỳ: 30%
- Điểm thi kết thúc học phần: 70%
Trang 313 Nội dung chi tiết học phần:
Người biên soạn: TS Nguyễn Văn Dự
Môn học không mang nội dung nhằm hướng dẫn học sinh cách sử dụng các phần
mềm CAD, mà chủ yếu giới thiệu cách thức ứng dụng CAD để thiết kế các sản phẩm
cơ khí Do vậy, mặc dù tên các mục có thể trùng với nội dung hướng dẫn sử dụng một
phần mềm CAD bất kỳ, nhưng nội dung bài giảng chỉ chú trọng các nguyên tắc khai thác phần mềm ứng dụng để thiết kế được sản phẩm cơ khí mà thôi Dự kiến, Microsoft Excel, AutoDesk Inventor và AutoCAD Mechanical có thể được sử dụng cho mục đích tính toán thiết kế các chi tiết máy; AutoCAD, AutoCAD Mechanical và AutoDesk Inventor có thể được sử dụng để thực hiện các nội dung thiết kế chi tiết và
mô phỏng Học sinh có thể sử dụng các phần mềm khác để thực hiện các bài tập, đồ án
của mình nhưng phải đạt được mục đích của đề tài thiết kế và được sự đồng ý của giáo viên
Chương 1 Giới thiệu
1.1 Các khái niệm cơ bản
1.1.1 Máy tính trợ giúp thiết kế 1.1.2 Các dạng bản vẽ
1.1.3 Mô hình khối rắn 1.1.4 Chuyển đổi kết quả thiết kế 1.2 Các phần mềm hỗ trợ thiết kế
1.2.1 Tính toán 1.2.2 Vẽ thiết kế 1.2.3 Kết nối CAD/CAM/CNC
Chương 2 Các nguyên tắc tạo mô hình khối rắn
2.1 Giới thiệu
2.2 Tạo mô hình từ các hình 2 chiều
2.3 Các tham chiếu
2.4 Hiệu chỉnh mô hình khối rắn
2.5 Ví dụ tổng hợp
Chương 3 Thiết kế các chi tiết có công dụng chung
3.1 Giới thiệu
3.2 Thiết kế bánh răng
3.3 Thiết kế trục
3.4 Tạo mô hình ổ lăn
3.5 Thiết kế then, then hoa
3.6 Thiết kế bu lông, vít
Trang 4Chương 4 Lắp ráp và mô phỏng
4.1 Giới thiệu
4.2 Nguyên tắc tạo các mối lắp
4.3 Mô phỏng quá trình lắp ráp
4.4 Mô phỏng hoạt động hệ thống
4.5 Ví dụ minh họa
Chương 5 Báo cáo thiết kế
5.1 Giới thiệu
5.2 Bản vẽ
5.2.1 Tạo bản vẽ 2D từ mô hình 3D 5.2.2 Ghi kích thước, hiệu chỉnh 5.2.3 Khung tên
5.2.4 Bản vẽ lắp 5.2.5 Bản vẽ chế tạo 5.3 Thuyết minh
5.4 Ví dụ
1 4 Lịch trình giảng dạy:
Lịch giảng dạy lý thuyết và thảo luận được bố trí trong 9 tuần đầu tiên của học kỳ; nhằm có thời gian trong 6 tuần tiếp theo cho sinh viên tự làm đồ án và thông qua định
kỳ theo nhóm
1
(4 tiết)
- Chương 1;
- Chương 2 (1 tiết)
2
(4 tiết)
4
(4 tiết)
5
(4 tiết)
7
(4 tiết)
Các tài liệu [2]
Giảng
8
(4 tiết)
Các tài liệu [2]
Giảng
Trang 5Tuần Nội dung Đọc thêm tài liệu Ghi chú
15 Ngày phê duyệt:
16 Cấp phê duyệt:
Tr ưởng bộ môn Ch ủ tịch Hội đồng
KH&GD khoa C ơ khí Ch ủ tịch Hội đồng
kh ối ngành Cơ khí
Trang 6MỤC LỤC
MỤC LỤC 6
Chương 1 Giới thiệu 7
1.1 Các khái niệm cơ bản 7
1.1.1 Máy tính trợ giúp thiết kế 7
1.1.2 Các dạng bản vẽ 7
1.1.3 Các dạng mô hình CAD 8
1.1.4 Chuyển đổi kết quả thiết kế 11
1.2 Các phần mềm trợ giúp thiết kế 11
1.2.1 Phần mềm hỗ trợ tính toán 12
1.2.2 Phầm mềm hỗ trợ vẽ thiết kế 12
1.2.3 Kết nối CAD/CAM/CNC 14
Chương 2 Các nguyên tắc tạo mô hình khối rắn 15
2.1 Giới thiệu 15
2.2 Tạo mô hình khối rắn từ các hình phẳng (2D) 15
2.3 Các mặt phẳng tham chiếu 17
2.4 Hiệu chỉnh mô hình khối rắn 18
2.5 Ví dụ tổng hợp 19
Chương 3 Thiết kế các chi tiết có công dụng chung 32
3.1 Giới thiệu 32
3.2 Nguyên tắc tính toán thiết kế bằng máy tính 32
3.3 Thiết kế bánh răng 33
3.3 Thiết kế bộ truyền trục vít bánh vít 35
3.4 Thiết kế trục 37
3.5 Thiết kế ổ lăn 39
3.6 Thiết kế Then 41
3.7 Thiết kế bu lông, vít 43
Chương 4 Lắp ráp và mô phỏng 46
4.1 Giới thiệu 46
4.2 Nguyên tắc tạo các mối lắp 46
4.3 Mô phỏng quá trình lắp ráp 47
4.4 Mô phỏng hoạt động hệ thống 49
Chương 5 Báo cáo thiết kế 50
5.1 Giới thiệu 50
5.2 Bản vẽ 50
5.2.1 Tạo bản vẽ 2D từ mô hình 3D 50
5.2.2 Ghi kích thước và hiệu chỉnh 52
5.3 Thuyết minh 54
Trang 7Chương 1 Giới thiệu
1.1 Các khái niệm cơ bản
1.1.1 Máy tính trợ giúp thiết kế
Việc thiết kế kỹ thuật thường xuất phát từ các hình ảnh được hình dung , phác thảo trong đầu người thiết kế Bản vẽ kỹ thuật đượ c sử dụng để thể hiện các ý tưởng của người thiết kế và là công cụ chủ yếu trong giao tiếp kỹ thuật
Từ khi máy tính ra đời, nhà thiết kế có thể tạo ra các bản vẽ điện tử thay vì vẽ trực tiếp
ra giấy Thuật ngữ CAD được hiểu là thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (Computer Aided
Design)
Bản thiết kế trên máy tính có ưu điểm vượt trội về tính tự động, hiệu quả và độ chính xác cùng khả năng lưu trữ đơn giản
Hệ thống thiết kế có sự trợ g iúp của máy tính đầu tiên được cho là chương trình SKETCHPAD do Ivan Sutherland phát triển tại Viện MIT (Massachu Setts Institute oi Technology) năm 1963
Vào những năm 1980, với sự ra đời và phát triển của máy tính cá nhân , CAD phát triển mạnh mẽ và trở thành một công cụ chuẩn trong công nghệ thiết kế Kỹ thuật mô hình
hóa vật rắn (Solid Modeling) phát triển nhanh chóng, cho phép biểu diễn các vật thể trên máy
tính giống thực tế với đầy đủ các đặc tín h vật lý: kích thước, khối lượng, Từ mô hình khối rắn, việc tạo các bản vẽ chế tạo cũng trở nên dễ dàng nhờ sự hỗ trợ của phần mềm thiết kế
1.1.2 Các dạng bản vẽ
Trong thực tế, 92% quá trình thiết kế là các công việc liên quan đến bản vẽ Đánh giá tổng quan, viết báo cáo và thuyết trình chỉ chiếm 8%
Bản vẽ, kỹ thuật đầu tiên được thực hiện vào năm 2130 B.C., dựa vào thông tin trên bức tượng ở bảo tàng Louvre, Paris
Trước đây, vẽ kỹ thuật được thực hiện như một bức ảnh minh họa Các bản vẽ này sử
dụng phép chiếu phối cảnh (Perspective view), các đường song song của vật thể thực sẽ thu
hẹp dần khoảng cách vì được coi như sẽ gặp nhau ở rất xa
Các bản vẽ khi đó thường không mô tả chính xác được hết cấu tạo chi tiết của đối
tượng Bản vẽ chi tiết chính xác (được biết đến với tên gọi Exploded view) được phát vào thế
kỷ 15 và hoàn thành nhờ công sức của Leonardo de Vinci Tuy nhiên, các dạng bản vẽ đó vẫn chưa mô tả được chi tiết các kích thước và cấu trúc đối tượng Bản vẽ sử dụng 3 hình chiếu
vuông góc (Orthographic Projections) được Albrecht Durer phát triển năm 1528 và thông dụng cho đến ngày nay
Để mô tả bao quá t đối tượng, các hình chiếu đẳng cự (Isometric View) đang được sử
dụng phổ biến hơn là phép chiếu phối cảnh Phép chiếu đẳng cự được Willian Farish giới thiệu vào đầu thế kỷ 19
Trang 8Các bản vẽ truyền thống
Mục đích của các bản vẽ kỹ thuật là biểu diễn đầy đủ các vật thể thực sao cho người khác đọc có thể hiểu và hình dung ra một cách đúng đắn vật thể đó Bản vẽ truyền thống bao gồm các đường nét được vẽ trong không gian phẳng , có thể vẽ trực tiếp trên giấy vẽ bằng tay hoặc máy tính, hoặc in ra từ máy tính
Các bản vẽ truyền thống thường sử dụng các hình chiếu (Projected view), hình cắt
(Section view) để biểu diễn các góc nhìn vật thể
Đôi khi, hình chiếu xiên (Auxiliary view) được sử dụng để mô tả một bề mặt vật thể ở
một góc nhìn khác minh họa của các khái niệm này được trình bày trên hình 3 Số lượng các hình chiếu, hình cắt nên ít nhất nhưng phải mô tả được hế t cấu tạo và kích thước vật thể Trong hầu hết các trường hợp , 3 hình chiếu là đủ ; nhiều trường hợp vật thể đơn giản (ví dụ một trụ tròn xoay) có thể chỉ cần 1 hình chiếu và một vài hình cắt)
- Bản vẽ chế tạo còn gọi là bản vẽ chi tiết (Detail Drawing) được sử dụng để mô tả
chi tiết của vật thể đã được thiết kế hoàn tất Bản vẽ này cần cung cấp đầy đủ các thông tin sao cho chi tiết có thể được chế tạo đúng mà không c ần lấy thông tin ở nơi khác Nói cách khác, bản vẽ chế tạo phải bao gồm đủ các hình chiếu , hình cắt để hình dung ra vật thể , có đủ các kích thước, yêu cầu về vật liệu và yêu cầu về kỹ thuật chế tạo sản phẩm
- Bản vẽ lắp
Bản vẽ lắp (Assembly Drawing) dùng để biểu diễn kết cấu lắp ghép của các chi tiết
với nhau kích thước và các thông tin chi tiết khác thường không được biểu diễn nhằm giúp cho bản vẽ dễ nhìn hơn
Thông thường, bản vẽ lắp chứa các hình chiếu , hình cắt của toàn bộ cụm chi tiết cần biểu diễn Đôi khi một hình chiếu trục đo đẳng cự cũng đủ cho một bản vẽ lắp
Trên một bản vẽ lắp , các chi t iết phải được đánh số để đưa vào bảng kê Bảng kê
(P art list hoặc Bill of material) nhất thiết phải có trong bản vẽ lắp Bảng kê phải bao gồm số
liệu chi tiết, tên chi tiết, vật liệu, số lượng của chi tiết và các thông tin khác nếu cần
1.1.3 Các dạng mô hình CAD
Một mô hình CAD (CAD Model) là một biểu diễn của vật thể trên máy vi tính Một
mô hình CAD thực chất là một tài liệu kỹ thuật về vật thể trên máy tính Nó bao gồm tất cả các thông tin thiết kế như tương quan hình học , kích thước, dung sai, vật liệu và các thông số chế tạo Mô hình CAD đã thay thế các bản vẽ thiết kế trên giấy từ nhiều thập kỷ nay Mô hình
CAD đơn giản nhất là mô hình 2 chiều (Two Dimensional Model) Mô hình này thực chất là
các hình chiếu vuông góc được vẽ bằng máy tính , hoàn toàn tương đương với các bản vẽ truyền thống trước đây Các phầm mềm CAD lưu trữ các hình chiếu này nhưng không thể
"hình dung" được các mối liên quan giữa các hình chiếu để tạo thành vật thể ba chiều , điều
mà con người cần làm để tưởng tượng ra vật thể được vẽ
Một mô hình CAD cao cấp hơn được gọi là mô hình 2,5 chiều (Two - and - one -
Half - dimensional model) Ở mô hình này, các phần mềm máy tính lưu trữ chiều thứ ba của
Trang 9vật thể một cách đơn giản là độ sâu của tiết diện ngang Nói cách khác , mô hình 2,5 chiều được dùng để biểu diễn vật thể có tiết diện ngang không đổi
Mô hình CAD ba chiều hay gọi tắt là 3D (Three - dimensional model) là mô hình
phổ biến nhất hiện nay Một cách đơn giản, có thể hình dung rằng phần mềm máy tính lưu trữ các tọa độ 3 chiều của tất cả các điểm của đối tượng và quan hệ giữa các điểm đó với nhau Các hình chiếu, hình cắt dễ dàng được tạo ra một cách tự động từ mô hình 3 chiều Các phần mềm CAD hiện nay đều dựa trên nguyên tắc làm việc với mô hình 3 chiều
Theo tiến trình phát triển, có 3 dạng mô hình CAD 3 chiều, đó là:
- Mô hình khung dây (Wireframe model)
- Mô hình bề mặt (Surface model)
- Mô hình khối rắn (Solid model)
Mô hình khung dây là mô h ình 3D đơn giản nhất Mô hình này chỉ biểu diễn các cạnh của vật thể Phầm mềm CAD chỉ lưu giữ thông tin về các đỉnh và nối các đỉnh đó với nhau bằng các đoạn thẳng Cung tròn được biểu diễn như một chuỗi hữu hạn các đỉnh, nối với nhau bằng các đoạn thẳng Nhược điểm lớn nhất của mô hình khung dây là rất khó hình dung
ra vật thể, do tất cả các cạnh đều ở dạng thấy rõ (Visible), không có đường nào bị che khuất
được Ưu điểm của mô hì nh này là nó cần ít không gian lưu trữ thông tin và năng lực xử lý của máy tính, và do đó, nó phù hợp với giai đoạn phát triển trước đây
Mô hình bề mặt định nghĩa đối tượng bằng các mặt phẳng (Flat) và mặ t cong
(Curved) Mô hình này khắc phục được nhược điểm về các đường thấy và đường khuất của
mô hình khung dây Thêm nữa, nó có thể mô phỏng khá trực quan vật thể bằng cách đặt các nguồn sáng ảo và tạo hiệu ứng ánh sáng lên vật thể Kỹ thuật này được biết đến với tên gọi tạo
bóng mờ (Shading) hay biểu diễn (Rendering) Nhược điểm lớn nhất của mô hình bề mặt là
nó không lưu trữ được thông tin về cấu trúc bên trong (Interior) của vật thể Chẳng hạn , thông tin về khối lượng, mômen quán tính mặt cắt, ứng suất, hình cắt … của vật thể sẽ không được lưu trữ hay xử lý ở mô hình này
Mô hình khối rắn là mô hình CAD tân tiến nhất (the current - state - of - the - art)
hiện nay Mô hình này chứa đựng hầu hết các thông tin cần thiết để mô tả vật thể thực
Các nguyên tắc cơ bản của việc xây dựng mô hình khối rắn được tóm tắt dưới đây
a Mô h ình hóa dựa trên khối cơ bản (Feature - Base modeling)
Mô hình hóa dựa trên khối cơ bản nghĩa là quá trình xây dựng mô hình vật thể được thực hiện bằng cách sửa , hiệu chỉnh các khối cơ bản Khối cơ bản trong một vật thể được hiệu chỉnh theo những cách thức tương tự để tạo dáng vật thể bằng các phương pháp gia công thực Chọn dạng của khối cơ bản có ý nghĩa như việc chọn phôi để gia công chi tiết Mỗi bước hiệu chỉnh mô hình để tạo thành chi tiết có ý nghĩa tương tự như một bước gia công thực Trong CAD, khối cơ bản là một khối rắn 3 chiều, được tạo thành bằng cách xoay hoặc kéo dài một tiết diện của nó Bảng 1.1 dưới đây trình bày một ví dụ về các h tạo 1 mô hình CAD của một cán dao cắt bánh Pizza; thứ tự các bước là các hàng được đánh số (cột STT) Mối tương quan
Trang 10giữa việc hiệu chỉnh mô hình trong CAD và quá trình gia công được biểu diễn tương ứng trong cột 2 và 3
Bảng 1.1 Ví dụ quá trình tạo mô hình và gia công cán dao
STT Thiết kế mô hình 3D Mô hình 3D Bước gia công
phôi
2 Kéo dãn (Extrude) để tạo khối cơ sở Cắt phôi trụ tròn
theo chiều dài
3 Xấn rãnh một đầu, vê tròn đầu còn lại Tiện trên máy tiện
b Mô hình hóa các ràng buộc
Ở một số bản vẽ, tương quan vị trí hay kích thước giữa các thành phần của mô hình có ràng buộc chặt chẽ với nha u Chẳng hạn, một lỗ có vị trí cách một bề mặt một khoảng xác định, thì di chuyển mặt đó đến vị trí mới , vị trí của lỗ cũng di chuyển theo , đảm bảo khoảng cách giữa lỗ và bề mặt được giữ nguyên
c Mô hình tham số (Parametric Model)
Mô hình tham số là một dạng khác của mô hình có ràng buộc Chẳng hạn, kích thước có thể coi là một tham số của mô hình Người kỹ sư có thể ra lệnh thay đổi kích thước , khi đó
mô hình sẽ thay đổi theo Trái lại, khi mô hình được hiệu chỉnh (kéo dãn chẳng hạn ), kích thước tương ứng của nó cũng sẽ tự cập nhật Một ví dụ khác, một lỗ được thiết kế có tâm nằm chính giữa 2 mặt của 1 khối rắn Nếu hai mặt có khoảng cách là 40 , tâm lỗ sẽ cách mỗi mặt là
