Ứng dụng công nghệ CADCAM trong thiết kế và chế tạo khuôn mẫu

Hình 8: Sơ đồ chu kì sản xuất thông thường Hình 9: Sơ đồ chu kì sản xuất với công nghệ CAD/CAM Hình 10: Qui trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống Hình 11: Qui t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS TĂNG HUY

HÀ NỘI - 2010

MụC LụC

Trang

Chương 1 TổNG QUAN Về công nghệ cad/cam và ứng dụng chế

tạo khuôn mẫu

9

1.1.3 Những vấn đề cơ bản của CAD 12 1.1.4 Những vấn đề về CAM 26

1 1.5 Vai trò của CAD/CAM trong chu kỳ sản xuất 29 1.1.6 ứng dụng CAD/CAM trong thiết kế gia công tạo hình 30

1.2 ứng dụng công nghệ CAD/CAM trong ngành khuôn mẫu (khuôn

38

1.2.4 Giải pháp CAD/CAM cho ngành khuôn mẫu tại doanh nghiệp thực

tế

39

Chương 2 Tìm hiểu các phần mềm CAD/CAM xây dựng giải pháp

CAD/CAM cho thiết kế khuôn

51

2.4 Công nghệ SCAN 3D và ứng dụng trong thiết kế chi tiết 522.5 Giới thiệu phần mềm MASTERCAM lập trình gia công trên máy CNC 58

Chương 3 Thiết kế khuôn nhựa cho sản phẩm nhựa “Tấm đỡ” 61

3.1 Giới Thiệu Sản Phẩm & Hình ảnh Sản Phẩm 61

3.3 Thiết kế chi tiết bằng công nghệ thiết kế ngược: Reverse Engineering 623.4 Mô phỏng dòng sự điền đầy chât lỏng trong khuôn bằng phần mềm Moldflow

Chương 4 ứNG DụNG MASTERCAM lập trình gia công mặt định

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận văn là kết quả nghiên cứu của bản thân, không sao chép của ai Các trích dẫn đ−ợc sử dụng theo danh mục

các tài liệu tham khảo đính kèm

Tác giả: Vũ Ngọc Tùng

Danh môc c¸c ch÷, c¸c kÝ hiÖu viÕt t¾t

CAD: Computer Aided Design

CAM: Computer Aided Manufacturing

CNC: Computer Numerical Control

CAE: Computer Aid Engineering

CNTT: C«ng nghÖ th«ng tin

RE: Reverse Engineering (C«ng nghÖ thiÕt kÕ ng−îc)

DANH MụC CáC HìNH Vẽ

Hình 1: CAD/CAM và gia công CNC

Hình2: Phản ánh 4 giai đoạn thiết kế nhờ máy tính trong quá trình thiết kế

Hình 3: ứng suất và biến dạng thể hiện qua màu sắc

Hình 5: Quan hệ mong muốn của cơ sở dữ liệu CAD/CAM với CAD và CAM

Hình 6 Sự khác nhau giữa theo dõi (a) và điều khiển (b) qúa trình nhờ máy tính

Hình 7 CAM để hỗ trợ sản xuất

Hình 8: Sơ đồ chu kì sản xuất thông thường

Hình 9: Sơ đồ chu kì sản xuất với công nghệ CAD/CAM

Hình 10: Qui trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống

Hình 11: Qui trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ CAD/CAM

Hình 12: Các phần mềm CAD/CAM phổ biến trên thế giới

Hình 13-14: Tình hình thụi trường CAD/CAM trên thế giới

Hình 15: Sơ đồ quy trình sản xuất khuôn và công nghệ CAD/CAM

Hình 16: Các Module của CATIA

Hình 17: Trình tự thiết kế khuôn trên CATIA

Hình 18: Chức năng tạo mặt phân khuôn trong CATIA

Hình 25: Hình ảnh chi tiết thiết kế khuôn

Hình 26: Chi tiết thiết kế trên CATIA

Hình 27: Hình ảnh quá trình Scan chi tiết trên máy FARO

Hình 28: Dữ liệu scan mặt trong

Hình 29: Dữ liệu scan mặt trong

Hình 30: Dữ liệu sau khi lọc nhiễu và ghép các phần

Hình 31: Phân mảng dữ liệu

Hình 32: Mô hình CAD hoàn chỉnh

H×nh 48: Cuèng phun vµ b¹c cuèng phun

H×nh 49: Lâi ®Èy ngang

H×nh 50: Chèt dÉn h−íng

H×nh 51: B¹c dÉn h−íng

H×nh 52: Tæng thÓ khu«n

H×nh 53: H×nh ¶nh gia c«ng trªn m¸y CNC

động hoá nhờ ứng dụng công nghệ CAD/CAM - trong đó: CAD là thiết kế với sự trợ giúp của máy tính điện tử; CAM là sản xuất với sự trợ giúp của máy tính điện tử, còn được gọi là gia công điều khiển số)

ở Việt Nam ,trong những năm 1991- 1994 Viện Máy và dụng cụ công nghiệp (Viện IMI) đã được tiếp nhận dự án của Liên hợp quốc về “chuyển giao công nghệ thiết kế, phát triển và chế tạo khuôn mẫu” Kết thúc dự án vào 4/1994 dự án

được Liên hợp quốc đánh giá là một trong những dự án của UNIDO về công nghiệp thành công nhất ở Việt Nam Từ đó đến nay Viện IMI vẫn liên tục chuyển giao rộng rãi công nghệ sản xuất khuôn mẫu cho các cơ sở sản xuất khuôn mẫu trong nước nhằm nhanh chóng phát triển và đưa ngành công nghiệp khuôn mẫu thành ngành công nghiệp mũi nhọn, thúc đẩy các ngành công nghiệp khác phát triển

Tuy nhiên đến thời điểm trước những năm 2000 do hạn chế về năng lực thiết

kế và chế tạo cùng với sự đầu tư chưa hợp lý, các cơ sở hoạt động trong tình trạng khép kín, hệ thống máy móc dây chuyền còn lạc hậu và chưa đồng bộ nên về cơ bản các doanh nghiệp trong nước hiện mới chỉ đáp ứng được một phần sản xuất khuôn mẫu phục vụ cho chế tạo các sản phẩm cơ khí tiêu dùng và một phần cho các công

ty liên doanh nước ngoài.Với những sản phẩm có yêu cầu kỹ thuật cao (máy giặt, tủ lạnh, điều hoà, ô tô, xe máy…) , cần dùng khuôn có yêu cầu thiết kế và gia công phức tạp hầu hết phải nhập bán thành phẩm hoặc nhập khuôn từ nước ngoài vào sản xuất Bên cạnh các nguyên nhân như là các doanh nghiệp SXKM trong nước hiện đa phần hoạt động ở tình trạng tự khép kín, chưa có sự phối hợp, liên kết với nhau để đi vào thiết kế và sản xuất chuyên sâu vào một hoặc một số mặt hàng cùng chủng loại ,trang thiết bị ở hầu hết các cơ sở thuộc trình độ công nghệ thấp, hoặc có nơi đã đầu tư trang thiết bị công nghệ cao, nhưng sự đầu tư lại trùng lặp do chưa có sự hợp tác

giữa các doanh nghiệp trong sản xuất, còn có một nguyên nhân quan trọng khác là

việc ứng dụng công nghệ CAD/CAM vào thiết kế và chế tạo khuôn mẫu còn nhiều hạn chế

Từ năm 2000 đến nay, thị trường sản phẩm nhựa của Việt nam liên tục tăng trưởng với nhua cầu ngày càng cao, từ các sản phẩm nhựa gia dụng đến các chi tiết máy Do vậy ngành công nghiệp chế tạo khuôn mẫu cũng liên tục tăng trưởng, rất nhiều các doanh nghiệp đã dần ứng dụng công nghệ CAD/CAM vào trong quá trình sản xuất Hiện tại hầu hết các sản phẩm CAD/CAM của các hãng lớn trên thế giới như CATIA, SOLIDWORKS, MASTERCAM, INVENTOR…đều đã có mặt ở Việt Nam tạo điều kiện rất lớn cho ngành công nghiệp chế tạo khuôn mẫu tiếp tục phát triển

Với các thế mạnh về chi phí nhân công, môit trường đầu tư hấp dẫn, Việt Nam hoàn toàn có thể phát triển theo kịp các nước như Đài Loan, Hàn Quốc… Để

có thể làm được như vậy bên cạnh việc hiện đại hóa trang thiết bị máy móc, quản lý

vĩ mô, thì việc tiếp cận và ứng dụng các thành tựu mới nhất của công nghệ CAD/CAM là một yêu cầu không thể thiếu

Cho nên mục đích nghiên cứu của luận văn là “ứng dụng công nghệ

CAD/CAM trong chế tạo khuôn mẫu” là nhằm tìm gia một giải pháp CAD/CAM

hiệu quả, phù hợp với thực tế sản xuất của ngành chế tạo khuôn mẫu tại Việt Nam

Nội dung được trình bày trong luận văn bao gồm:

Chương 3: Thiết kế khuôn cho sản phẩm nhựa “giá đỡ”

Chương 4: Lập trình gia công MASTER CAM cho bề mặt định hình – Lõi khuôn

Kết luận đề tài

vực khoa học tổng hợp của liên ngành vật liệu - Cơ khí - Tin học - Điện tử - Tự động hoá Cùng với sự phát triển của khoa học máy tính CAD/CAM đã được nhân thức

và chấp nhận nhanh chóng trong công nghiệp vì nó là hạt nhân chính để sáng tạo và sản xuất sản phẩm, để tăng năng suất lao động, giảm cường độ lao động và tự động hoá quá trình sản xuất (tức là nâng cao độ chính xác chi tiết và đạt hiệu quả kinh tế cao)

Xuất phát từ nhu cầu cho trước, việc nghiên cứu đảm nhận thiết kế một mô hình mẫu cho đến khi thể hiện trên bản vẽ biễu diễn chi tiết Từ bản vẽ chi tiết, việc

triển khai chế tạo đảm nhận lập ra quá trình chế tạo các chi tiết cùng các vấn đề

liên quan đến dụng cụ và phương pháp thực hiện

Hai lĩnh vực hoạt động lớn này trong ngành chế tạo máy được thực hiện liên tiếp nhau và được phân biệt bởi kết quả của nó

* Kết quả của CAD là một bản vẽ xác định, một sự biểu diễn nhiều hình chiếu

khác nhau của một chi tiết cơ khí với các đặc trưng hình học và chức năng Các phần mềm CAD là các dụng cụ tin học đặc thù cho việc nghiên cứu và được chia

thành hai loại: Các phần mềm thiết kế và các phần mềm vẽ

* Kết quả của CAM là cụ thể, đó là chi tiết cơ khí Trong CAM không truyền đạt một sự biểu diễn của thực thể mà thực hiện một cách cụ thể công việc Việc chế tạo bao gồm các vấn đề liên quan đến vật thể, cắt gọt vật liệu, công suất của trang thiết

bị, các điều kiện sản xuất khác nhau có giá thành nhỏ nhất, với việc tối ưu hoá đồ gá và dụng cụ cắt nhằm đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của chi tiếtcơ khí

Lúc đầu CAD - CAM là hai ngành phát triển tách biệt nhau, độc lập với nhau Mỗi một môn lo một trách nhiệm riêng cho hoạt động của nó và nếu máy tính được

đưa vào thì mỗi môn chịu trách nhiệm ứng dụng công nghệ mới đối với hoạt động của chúng Tuy nhiên sau đó thì CAD và CAM đã được tích hợp lại thành một trong các phần mềm trợ giúp thiết kế - gia công (như phần mềm CATIA; CIMATRON; MASTERCAM…)

Tổ hợp CAD/CAM có thể được định nghĩa như một hệ thống mà ở đó mối liên kết giữa thiết kế và chế tạo được hoàn thiện bởi việc sử dụng thông tin và dữ liệu của quá trình CAD trực tiếp trong CAM, như vậy tránh được sự hình thành một cách độc lập các dữ liệu cho các chương trình của máy tính trong lĩnh vực sản xuất

Do đó, thông tin chung cho số lượng lớn của chương trình luôn luôn được tích tụ trong các thiết bị tích tụ khối của máy tính và nó thường xuyên được quy vào cơ sở dữ liệu

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng trong lĩnh vực thiết kế và gia công nhiều công ty phát triển phần mềm và các viện nghiên cứu trên thế giới đã đưa ra hàng loạt các phần mềm trợ giúp trong lĩnh vực này và không ngừng phát triển chúng để tăng

cường các chức năng cho chúng cũng như sử dụng chúng thuận tiện hơn Các phần mềm thiết kế và điều khiển các quá trình gia công tạo nên hệ thống mà ta thường gọi

là CAD/CAM

ứng dụng kỹ thuật CAD/CAM đã đưa nền sản xuất cơ khí tiến lên rất xa trong quá trình thiết kế và chế tạo sản phẩm Cụ thể là:

- Tiết kiệm thời gian thiết kế và chế tạo sản phẩm

- Dễ dàng thay đổi mẫu mà khi cần thiết kế mà không tốn nhiều thời gian

- Có thể chế tạo được các sản phẩm có bề mặt phức tạp

- Nâng cao chất lượng sản phẩm

- Dễ dàng gia công cơ khí hoá và tự động hoá

Một trong những hệ thống tích hợp CAD/CAM/CAE nổi tiếng, thành công

được ứng dụng nhiều tại các hãng sản xuất công nghiệp lớn trên thế giới hiện nay như BOEING; BMW; … và đặc biệt là được dùng phổ biến tại các hãng công nghiệp hàng đầu Nhật Bản là hệ thống CATIA Được viết từ năm 1981 và phát triển bởi hãng Dassault Systemes và IBM, CATIA dần dần được đưa vào sử dụng và phát huy

được tính ưu việt trong tính toán, thiết kế và gia công bởi được tích hợp nhiều công

cụ trong một gói phần mềm gồm cả phần thiết kế CAD; Phân tích, tính toán kiểm nghiệm CAE; Gia công cơ CAM Hiện nay phần mềm CATIA chưa được ứng dụng nhiều tại Việt Nam do khả năng rất mạnh và đắt tiền của nó, tuy nhiên trong tương lai, với làn sóng đầu tư nước ngoài vào Việt Nam với nhiều hãng công nghiệp lớn từ Mỹ; Châu Âu và đặc biệt là làn sóng đầu tư của các nhà đầu tư Nhật Bản vào Việt Nam hiện nay, thì sớm hay muộn CATIA cũng sẽ được đưa vào sử dụng và sẽ chứng

tỏ được tính ưu việt của mình để có thể được tiếp nhận rộng rãi trong ngành công nghiệp, góp phần đưa nền công nghiệp nước ta thoát khỏi trì trệ và tiến lên hiện đại hoá

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

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 Những vấn đề cơ bản của CAD

1.1.3.1 Tổng quan về CAD

để gọi các chương trình con chứa trong máy tính Trong phần lớn các hệ thống, hình

vẽ được tạo nên từ các phần tử hình học đơn giản: điểm, đường thẳng, đường tròn, Chúng có thể thay đổi theo yêu cầu của người vẽ: phóng to, thu nhỏ, di chuyển, xoay, Thông qua các thao tác khác nhau các phần tử của hình vẽ dần được hình thành

Một hệ tương tác đồ họa máy tính ICG (Interactive Computer Graphics) điển hình bao gồm phần cứng và phần mềm

Phần cứng gồm:

• Bộ xử lý trung tâm

• Một hoặc vài trạm làm việc kể cả màn hình

• Các thiết bị như máy in, máy vẽ,

Phần mềm gồm: Các chương trình cần thiết để đưa qúa trình đồ họa lên hệ thống, kèm theo các chương trình ứng dụng cho các nhiệm vụ thiết kế riêng biệt theo yêu cầu của người dùng

Cần phải chú ý một điều là hệ ICG chỉ là thành phần của hệ thống CAD Thành phần căn bản khác chính là người thiết kế ICG là công cụ để người thiết kế giải bài toán thiết kế Thực tế, hệ IGC làm tăng khả năng của người thiết kế Đây muốn nói

đến hiệu qủa Synergistic Người thiết kế thực hiện một phần quy trình thiết kế mà hợp với kỹ năng sáng tạo của con người (nhận thức, suy nghĩ độc lập), còn máy tính thực hiện nhiệm vụ mà hợp với khả năng của nó ( tốc độ tính toán nhanh, cho hiện

đồ họa lên màn hình, lưu trữ dữ liệu và kết qủa là hệ thống cho một tổng lớn hơn tổng số của các thành phần Có nhiều lý do căn bản để ứng dụng hệ thống CAD

9 Nâng cao năng suất của người thiết kế

- Giúp trông thấy sản phẩm và các thành phần của nó

- Giảm được thời gian tổng hợp, phân tích và lập tài liệu thiết kế

- Giá thành thiết kế giảm, thời gian hoàn tất dự án ngắn hơn

9 Cải thiện được chất lượng thiết kế

- Cho phép phân tích nhiều phương án thiết kế hơn

- Giảm được sai sót vì hệ thống đảm bảo độ chính xác cao hơn

9 Cải thiện được sự truyền thông

- Bản vẽ thiết kế tốt hơn

- Tiêu chuẩn hóa tốt hơn

- Lập tài liệu tốt hơn

- Hợp lệ hơn

9 Tạo được cơ sở dữ liệu cho chế tạo

Trong quá trình tạo tài liệu cho sản phẩm thiết kế (hình học và lên kích thước cho sản phẩm và các cấu thành, vật liệu, danh sách vật liệu v.v.), nhiều cơ sở dữ liệu cần thiết cho việc chế tạo cũng được tạo ra

1.1.3.2 Vài nét về lịch sử phát triển của CAD

Sự tiến hóa của CAD liên quan đến sự phát triển đồ họa máy tính Tất nhiên CAD định hướng không chỉ là độ họa máy tính, nhưng đồ họa máy tính tương tác (ICG) hình thành phần cốt lõi trong CAD Lịch sử phát triển của CAD có những nét chính như sau:

• Năm 1950 khởi đầu một trong những dự án đầu tiên trong lĩnh vực đồ họa

vi tính là phát triển ngôn ngữ APT tại đại học công nghệ Massachusetts Dự án này liên quan đến việc phát triển phương pháp thích hợp để xác định các phần tử hình học cho việc lập trình NC có dùng máy tính

• Vào cuối những năm 1950 một khái niệm mới ra đời đó là bút sáng (Light pen) ý tưởng về thiết bị này hình thành khi cần phải xử lý dữ liệu Radar cho dự án phòng thủ gọi là SAGE (Semi - Automatic Ground Environment System) Mục tiêu của dự án là phát triển một hệ thống để phân tích dữ liệu Radar và để hiện diện mục tiêu ném bom có thể trên màn hình CRT Để tiết kiệm thời gian trong việc cho hiện lên màn hình máy bay (interceptor aircraft) chống máy bay ném bom, ý tưởng về việc dùng bút sáng để xác định một vùng riêng biệt trên màn hình CRT đã được phát triển

• Vào những năm đầu thập kỷ 60, Ivan Sutherland làm việc cho một dự án tại MIT gọi là Sketchpad và đã trình bày một tờ giấy trên đó vẽ một số kết qủa của anh tại Hội nghị Fall Joint Computer vào năm 1963 Dự án Sketchpad có ý nghĩa lớn vì

nó giới thiệu một trong hoạt động tạo ra và xử lý hình ảnh tức khắc trên màn hình

Đối với nhiều quan sát viên, việc này đánh dấu sự bắt đầu của đồ họa vi tính

• Trong những năm của thập kỷ 60 rất nhiều hãng như General Motor, IBM, Lockheed-Georgia, Itek Corp và Mcdonnell (bây giờ là Mcdonnell Douglas) tham gia tích cực vào các dự án về đồ họa vi tính Một số dự án tình cờ có ý nghĩa thương mại (thí dụ Unigraphics của Mcdonnell Douglas và CADAM của Lock heed) Vào cuối những năm 1960 một số hãng thương mại CAD/CAM được hình thành như Calma vào năm 1968, Computervision vào năm 1969 Những hãng này bán các hệ thống chìa khóa trao tay, tức bao gồm cả phần cứng và phần mềm cần cho người dùng Các hãng khác thì chuyên bán phần mềm đồ họa máy tính Một trong những tên tuổi quen thuộc trong lĩnh vực này là Pat Harranty, người có công ty MCS phát triển phần mềm nổi tiếng AD 2000 (phiên bản cuối có tên là ANVIL 4000) – một phần mềm CAD thông dụng

1.1.3.3 Vai trò của CAD trong thiết kế

Có 4 nhiệm vụ được thực hiện khi thiết kế nhờ máy tính

- Mô hình hóa hình học

- Phân tích kỹ thuật

- Xem xét lại bản vẽ và đánh gía

được truyền từ CPU của hệ thống CAD Phần mềm có khả năng mô hình hóa hình học phải được thiết kế để được sử dụng một cách có hiệu qủa bởi máy tính và người

sử dụng

Để mô hình hóa hình học người thiết kế xây dựng hình ảnh của đối tượng trên màn hình của hệ thống ICG bằng cách nhập 3 loại lệnh cho máy tính

- Lệnh vẽ các phần tử hình học cơ sở như đường, điểm, hình tròn

- Lệnh biến đổi như phóng đại, xoay và thay đổi vị trí của các phần tử trên

- Lệnh liên kết các phần tử trên thành hình dạng cần thiết của đối tượng

Trong quá trình này máy tính chuyển đổi các lệnh thành các mô hình tóan học, lưu trữ thành các file dữ liệu và xuất ra màn hình CRT Mô hình có thể được gọi ra bất cứ lúc nào để xem xét, phân tích và sửa đổi

Có nhiều phương pháp biểu diễn đối tượng khi mô hình hóa hình học

Dạng cơ bản là sử dụng phương pháp khung dây để mô tả đối tượng: Chi tiết

được mô tả bằng cách nối các đường với nhau Mô hình hình học được phân thành 3 dạng tùy theo khả năng của hệ ICG

- 2D: Biểu diễn đồ họa 2 chiều, dùng cho các chi tiết phẳng

- 2,5 D : Mô tả đối tượng kiểu 2D nhưng cho phép biểu diễn đối tượng ở dạng 3D chừng nào chi tiết có chiều dày không đổi

- 3D: Cho phép mô hình hóa đối tượng phức tạp hơn trong không gian 3 chiều Mô tả đối tượng trong không gian 3 chiều bằng khung dây đôi khi cũng rắc rối đối với chi tiếtphức tạp Mô hình khung dây có thể được cải thiện bằng một số cách:

• Tạo các nét khuất sau chi tiết

• Dấu hoàn toàn các nét khuất phía sau chi tiết Như vậy có thể tưởng tượngchi tiết tốt hơn Một số hệ thống CAD có thể tự động giấu nét khuất, nhưng một số khác lại yêu cầu chỉ ra nét nào cần giấu

• Làm cho chi tiết có các bề mặt để ta có thể trông thấy chi tiết ở dạng đặc Tuy nhiên đối tượng vẫn được lưu trong máy tính ở dạng khung dây

Phương pháp tiến bộ nhất là tạo mô hình khối đặc (Solid) trong không gian 3 chiều

Phương pháp này thường sử dụng các khối hình học cơ sở và các phép tóan của đại số Boole để xây dựng đối tượng (trụ, hộp, côn, cầu, chêm, )

Một đặc điểm nữa của một số hệ thống CAD là khả năng tạo màu cho hình

vẽ Nhờ màu sắc ta có thể đưa lên màn hình nhiều thông tin hơn, phân biệt các đối tượng trong bản vẽ lắp hoặc làm nổi bật kích thước và một số mục đích khác

Thông thường thì một số chương trình chuyên dụng phải được phát triển để giải các bài toán thiết kế và được viết bởi nhóm thiết kế Nhưng trong nhiều trường hợp có thể mua các chương trình có mục đích sử dụng chung để thực hiện việc phân

tích kỹ thuật

Các hệ thống CAD/CAM kiểu chìa khóa trao tay thường bao gồm các phần mềm phân tích kỹ thuật và có thể dùng cho việc thiết kế Thí dụ, phân tích khối lượng, phân tích phần tử hữu hạn Phân tích khối lượng có lẽ là ứng dụng rộng rãi nhất Nó bao gồm các công việc:

Bằng cách sử dụng máy tính với khả năng tính toán đáng kể, toàn bộ vật có thể được phân tích về ứng suất-biến dạng, truyền nhiệt bằng cách tính toán hành vi của mỗi nút Bằng cách xác định quan hệ qua lại giữa các nút trong hệ thống, đặc

điểm của vật có thể được xác định Một số hệ thống CAD có thể tự động xác định các nút và cấu trúc lưới của vật cho trước Người sử dụng chỉ cần xác định các tham

số cụ thể cho mô hình phần tử hữu hạn là hệ thống CAD có thể thực hiện việc tính toán

Kết qủa phân tích phần tử hữu hạn thường được thể hiện trên màn hình là tốt nhất Thí dụ khi phân tích ứng suất - biến dạng một vật thể kết qủa phải được chỉ ra trên màn hình ở dạng chi tiết có hình dạng và vị trí mới so với hình dạng và vị trí cũ như hình vẽ minh họa dưới đây:

Hình 3: ứng suất và biến dạng thể hiện qua màu sắc

Màu sắc cũng có thể được dùng để nhấn mạnh việc so sánh chi tiết trước và sau biến dạng

Nếu kết qủa tính cho thấy không tốt, người thiết kế có thể sửa đổi hình dáng của chi tiết và thực hiện việc tính toán lại theo phương pháp phần tử hữu hạn cho đến

khi đạt được kết qủa mong muốn

ắ Xem xét lại bản vẽ và đánh giá:

Việc kiểm tra lại độ chính xác của bản thiết kế có thể được thực hiện trên màn hình Các chương trình con cho phép xác định một cách bán tự động kích thước và dung sai kích thước đã giúp cho người dùng tránh được lỗi khi lên kích thước - Người thiết kế có thể phóng to ảnh lên để xác định kích thước cho rõ ràng hơn

Khi xem lại bản vẽ, thủ tục gọi lớp rất hữu ích, thí dụ ta có thể tạo lớp vẽ phôi

đúc và lớp vẽ chi tiết Bằng cách gọi cả 2 lớp, ta có thể quan sát thấy bề dày của lượng dư cho vật đúc để kiểm tra xem có thiếu chỗ nào không Thủ tục này có thể thực hiện trong giai đoạn kiểm tra từng bước trong qúa trình chế tạo chi tiết

Một thủ tục liên quan khi rà lại bản vẽ là kiểm tra lại các chi tiết xem có chỗ nào

đè lên nhau không trên bản vẽ lắp Khi bản vẽ phức tạp, việc này rất hay xảy ra

Trong một số hệ thống CAD, một trong những đặc điểm quan trọng là mô phỏng chuyển động (Kinematics) Với đặc điểm này, người sử dụng có thể hoạt hóa chuyển động của các cơ cấu đơn giản được thiết kế, nhờ vậy có thể phát hiện ra khuyết điểm trong thiết kế, thí dụ chi tiết này đụng vào chi tiết kia khi hoạt động

Trong số những hệ thống CAD có khả năng hoạt ảnh hóa chuyển động của các cơ cấu là ADAM (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) do Đại học Michigan phát triển Loại chương trình này rất tiện dụng cho người thiết kế khi xây dựng các cơ cấu cần thiết để thực hiện chuyển động

ắ Chức năng tự động tạo bản vẽ:

Tự động tạo bản vẽ là tạo ra các bản vẽ kỹ thuật trực tiếp từ cơ sở dữ liệu CAD Trong các phòng CAD trước kia, tự động hóa việc in bản vẽ chủ yếu là để chính lý hệ thống CAD Thực sự hệ thống CAD có thể tăng năng suất nhiệm vụ vẽ lên gấp 5 lần so với vẽ bằng tay

Một số đặc điểm đồ họa trong hệ thống CAD tự thân dẫn đến qúa trình tạo bản vẽ Những đặc điểm này gồm có:

- Chuyển hình ảnh sang hình chiếu trục đo (ISO), phối cảnh (Perspective)

Phần lớn các hệ thống CAD có khả năng tạo ra 6 hình chiếu

Bằng cách lập chương trình các tiêu chuấn thiết kế, các bản vẽ kỹ thuật có thể

được tạo ra để gắn các tiêu chuẩn vẽ của công ty vào trong hệ thống CAD

Hình 4 là bản vẽ có bốn hình chiếu Bốn hình chiếu này tự động tạo ra nhờ hệ thống CAD Đặc biệt hình chiếu trục đo có thể làm cho chúng ta hình dung chi tiết

rõ ràng hơn nhiều so với 3 hình chiếu bằng, cạnh và đứng

Hình 4: Bốn hình chiếu tự động được tạo ra nhờ hệ thống CAD

ắ Chức năng phân loại chi tiết và mã hóa

Ngoài 4 chức năng trên, cơ sở dữ liệu CAD còn có thể được dùng để phát triển

hệ thống phân loại chi tiết và mã hóa, nghĩa là gom các chi tiết giống nhau thành 1 nhóm và họ các chi tiết giống nhau thì được sắp xếp theo sơ đồ mã hóa Người thiết

kế theo hệ thống phân loại và mã hóa có thể gọi ra những bản vẽ thiết kế chi tiết mà không cần phải vẽ chi tiết mới Những hệ thống này cũng được dùng trong sản xuất

ắ Hình thành cơ sở dữ liệu cho chế tạo

Ta đã thấy rằng CAD có nhiều cách để tăng năng suất thiết kế Một lý do quan trọng khác để dùng hệ thống CAD là nó cho cơ hội phát triển cơ sở dữ liệu cần thiết cho sản xuất sản phẩm

Trong chu kỳ sản xuất cổ điển, các bản vẽ thiết kế chuẩn bị bởi người vẽ, và sau

đó được các kỹ sư công nghệ dùng để thiết kế qúa trình gia công (nghĩa là tạo ra tờ tiến trình gia công) Qúa trình thiết kế tách rời khỏi qúa trình gia công Như vậy mất nhiều thời gian để lập lại bản vẽ

Trong hệ thống sản xuất có tích hợp CAD/CAM, giữa chế tạo và thiết kế có quan

hệ trực tiếp với nhau Mục tiêu của CAD/CAM không chỉ là tự động hoá một số pha thiết kế và tự động hoá một số pha chế tạo mà còn là TĐH việc chuyển dữ liệu thiết

kế cho chế tạo Các hệ thống sản xuất trên cơ sở máy tính đã được phát triển để tạo

ra nhiều dữ liệu và tài liệu cần thiết cho việc vạch kế hoạch và quản lý sản xuất đối với sản phẩm Cơ sở dữ liệu cho chế tạo chính là cơ sở dữ liệu CAD/CAM tích hợp

Nó bao gồm tất cả các dữ liệu được tạo ra khi thiết kế (dữ liệu hình học, danh sách vật liệu, danh sách chi tiết, phân loại vật liệu,.v.v ), kể cả các dữ liệu phụ cần thiết cho chế tạo mà phần lớn được

tạo ra khi thiết kế sản phẩm Hình 5 cho thấy cơ sở dữ liệu CAD/CAM có quan hệ như thế nào khi thiết kế và chế tạo trong một công ty sản xuất sản phẩm điển hình

Hình 5: Quan hệ mong muốn của cơ sở dữ liệu CAD/CAM với CAD và CAM

1.1.3.4 Lợi ích của CAD

Có nhiều lợi ích từ CAD, nhưng chỉ một số có thể đo được Một số lợi ích như chất lượng công việc tốt hơn, có nhiều thông tin bổ ích hơn, điều kiện hiểu biết nhau giữa các đồng nghiệp tốt hơn, rất khó đo đạc Một số lợi ích có thể cảm nhận

được nhưng phải lâu dài mới đánh giá được Một số khác có thể đo trực tiếp được

Có thể liệt kê những lợi ích mà hệ thống CAD/CAM có thể mang lại cho người sử dụng Trong một số mục dưới đây ta sẽ bàn sâu hơn về các lợi ích đó

Bảng liệt kê các lợi ích có thể có khi ứng dụng CAD/CAM như một phần của hệ thống CAD/CAM tích hợp

- Năng suất thiết kế tăng

- Thời gian thiết kế giảm

- Giảm được số người thiết kế

- Dễ nhận ra sự đụng nhau giữa các bộ phận

- Phân tích tốt hơn, giảm được việc thử mẫu

- Giúp chuẩn bị hồ sơ

- Thiết kế hợp tiêu chuẩn hơn

- Thiết kế đảm bảo hơn

- Thiết kế dụng cụ năng suất hơn

- Biết giá thành đảm bảo hơn

- Giảm thời gian đào tạo để vẽ và lập trình NC

- Lập trình NC ít lỗi hơn

- Đảm bảo sử dụng chi tiết và dụng cụ đang có tốt hơn

- Giúp cho bản thiết kế được tin tưởng đúng hơn cho kỹ thuật chế tạo hiện hành

- Tiết kiệm vật liệu và thời gian máy nhờ thuật toán tối ưu hóa

- Đảm bảo kết qủa làm việc tốt hơn

- Quản lý đội ngũ thiết kế dự án hiệu qủa hơn

- Giúp kiểm tra các chi tiết phức tạp

- Giúp cho kỹ sư công nghệ, thiết kế, vẽ, quản lý và các nhóm khác giao lưu và hiểu biết nhau hơn

ắ Tăng năng suất thiết kế

Khi năng suất tăng thì số lượng nhân viên giảm, do đó tăng khả năng cạnh tranh của công ty vì giá thành sản phẩm giảm Năng suất thiết kế nhờ máy tính có thể tăng từ 3 đến 10 lần, hãn hữu có thể tăng đến 100 lần nhưng không điển hình Năng suất thiết kế phụ thuộc nhiều yếu tố:

• Độ phức tạp của bản vẽ kỹ thuật

• Mức độ tỉ mỉ

• Mức độ lặp lại trên sản phẩm thiết kế

• Mức độ đối xứng

• Độ lớn của thư viện chi tiết thường dùng

Khi những yếu tố trên tăng thì hiệu qủa của việc dùng CAD sẽ tăng

ắ Thời gian chu kỳ sản suất ngắn hơn

CAD nhanh hơn thiết kế truyền thống: chuẩn bị biểu bảng nhanh hơn, thiết kế nhanh hơn, do đó thời gian thực hiện đơn đặt hàng nhanh hơn

ắ Phân tích kỹ thuật nhanh hơn

Nhờ sử dụng hệ thống CAD, cùng một người vừa có thể thiết kế vừa thực hiện phân tích kỹ thuật tại cùng một vị trí, không phải mất công đưa qua đưa lại giữa phòng thiết kế và phân tích Như vậy thiết kế vừa nhanh chóng hơn, thuận tiện hơn, chính xác hơn Thí dụ khi phân tích cần phải xác định thể tích, khối lượng của chi tiết Nếu phân tích bằng tay, ta phải chia nhỏ chi tiết ra, tính từng phần rồi cộng lại, mất rất nhiều thời gian Nếu ding hệ thống CAD/CAM thời gian tính toán là rất nhỏ

ắ Thiết kế ít lỗi hơn

So với thiết kế bằng tay, thiết kế bằng máy tính có độ chính xác cao hơn nhiều

ắ Tiêu chuẩn hóa thiết kế, lên bản vẽ và lập tài liệu

Cơ sở dữ liệu và hệ điều hành được dùng chung cho mỗi trạm làm việc của hệ thống CAD Vì vậy hệ thống đảm bảo hệ tiêu chuẩn tự nhiên cho thiết kế và vẽ Bản vẽ

được tiêu chuẩn hóa khi chúng được hình thành Không thể nhầm lẫn được vì toàn

bộ các tiêu chuẩn đã được xây dựng sẵn trong chương trình của hệ thống

ắ Bản vẽ dễ hiểu hơn

Nhờ CAD bản vẽ có thể được quan sát từ nhiều hình chiếu, nhất là hình chiếu trục

đo hay nhìn nghiêng Tất cả các bản vẽ được tạo ra và đổi mới một cách dễ dàng Thủ tục thay đổi bản thiết kế được cải thiện

Bản vẽ và các báo cáo về bản vẽ gốc được chứa trong cơ sở dữ liệu của hệ thống CAD Như vậy dễ truy xuất hơn, dễ kiểm tra hơn Vì việc lưu trữ dữ liệu rất gọn nên các thông tin về bản vẽ cũ có thể dễ dàng được giữ lại trong hệ thống làm cho việc

so sánh với bản thiết kế hiện tại hoặc nhu cầu vẽ dễ dàng hơn

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

1.1.3.5 ứng dụng CAD trong thiết kế khuôn mẫu

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:

- 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

- 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

1.1.4 Những vấn đề về CAM

1.1.4.1 Khái niệm CAM:

Sử dụng máy tính để điều khiển và theo dõi các hoạt động trong nhà máy trực tiếp hoặc gián tiếp qua giao diện máy tính với nguồn nhân lực của nhà máy Việc ứng dụng CAM có hai mảng lớn

1/ Điều khiển và theo dõi sản xuất: Trực tiếp dùng máy tính nối với quá trình sản xuất

2/ Các ứng dụng hỗ trợ sản xuất: Sử dụng máy tính một cách gián tiếp để hỗ trợ sản xuất mà không có giao diện trực tiếp giữa máy tính với quá trình sản xuất

Theo dõi sản xuất: giao diện trực tiếp với máy tính để quan sát qúa trình và thiết bị

liên quan và thu nhận dữ liệu về qúa trình

Điều khiển sản xuất nhờ máy tính: người vận hành không chỉ quan sát qúa trình mà còn điều khiển nó thông qua các quan sát của mình Hình dưới cho thấy sự khác biệt giữa theo dõi và điều khiển

Hình 6 Sự khác nhau giữa theo dõi (a) và điều khiển (b) qúa trình nhờ máy tính

Ta thấy rằng ở trường hợp điều khiển, máy tính ra lệnh trực tiếp đến qúa trình sản xuất Lệnh này dựa trên cơ sở thuật toán điều khiển chứa trong phần mềm của

Hình 7 CAM để hỗ trợ sản xuất

Thí dụ hỗ trợ sản xuất của CAM được thực hiện qua các ứng dụng sau:

• Lập trình gia công NC nhờ máy tính: Chương trình điều khiển được chuẩn bị cho máy công cụ tự động

• Lập quy trình công nghệ tự động nhờ máy tính: Máy tính chuẩn bị cho danh sách trình tự các nguyên công cần thiết để sản xuất một sản phẩm cụ thể

• Định mức thời gian nhờ máy tính: Máy tính sẽ xác định định mức thời gian cho từng nguyên công sản xuất cụ thể

• Lập kế hoạch sản xuất: Máy tính xác định biểu đồ (lịch trình) thích hợp cho sản xuất sắp tới

• Lập kế hoạch yêu cầu vật liệu: Máy tính xác định bao giờ thì đặt mua vật liệu thô và các linh kiện và mua bao nhiêu để đảm bảo lịch trình sản xuất

• Nắm tình hình sản xuất: Trong ứng dụng CAM này dữ liệu được tập hợp từ nhà máy để xác định việc thực hiệc đơn đặt hàng tiến triển ra sao

Trong các thí dụ trên, con người cần có mặt để đảm bảo hoặc là nhập chương trình cho máy tính hoặc biên dịch dữ liệu ra từ máy tính và thực hiện những hoạt

động cần thiết

1.1.4.2 Lợi ích của CAM

Những lợi ích của CAD cũng được truyền sang CAM, thể hiện trong các lĩnh vực sau

• Thiết kế dụng cụ và đồ gá cho chế tạo

• Lập trình NC

• Lập kế hoạch gia công

• Lập danh sách chi tiết ghép cho sản xuất

• Kiểm tra nhờ máy tính

• Lập kế hoạch Robotics

• Công nghệ nhóm

• Chu kỳ sản xuất ngắn hơn nhờ lên lịch trình sản xuất tốt hơn

1.1.5 Vai trò của CAD/CAM trong chu kỳ sản xuất

Hình 8: Sơ đồ chu kì sản xuất thông thường

Nhược điểm:

– Khó đạt độ chính xác gia công

– Dễ làm sai do nhầm lẫn hay hiểu sai

– Năng suất thấp , giá thành cao

– Khả năng cạnh tranh thấp

Hình 9: Sơ đồ chu kì sản xuất với công nghệ CAD/CAM

Chu kỳ sản xuất được điều khiển bởi khách hàng và thị trường vì họ là những người yêu cầu sản phẩm Chính họ tạo ra khái niêm về sản phẩm cho người sản xuất

để từ đó tính tóan, thiết kế, lên bản vẽ rồi lập qui trình công nghệ gia công Để sản xuất phải lên kế hoạch sản xuất và đặt hàng mua thiết bị mới nếu cần Sản xuất xong phải kiểm tra trước khi đưa ra thị trường Trong qúa trình kiểm tra, nếu phát hiện thấy có sai sót, thông tin được báo cho khâu sản xuất để kịp thời sửa chữa

Việc ứng dụng CAD/CAM được thể hiện ở nhiều khâu của chu kỳ sản xuất (hình …) Thiết kế nhờ máy tính, lập bản vẽ và lên hồ sơ nhờ máy tính được ứng dụng ở khâu khái niệm sản phẩm, thiết kế và lập bản vẽ Máy tính được dùng để lập qui trình công nghệ, lên kế hoạch sản xuất, giúp thực hiện các chức năng này có hiệu qủa hơn

Máy tính được dùng trong sản xuất để theo dõi và điều khiển các nguyên công công nghệ ở khâu kiểm tra chất lượng sản phẩm, máy tính được dùng để kiểm tra và thử sản phẩm và các thành phần của nó

Như được minh họa trên hình …, CAD/CAM bao trùm lên tất cả các hoạt

động và chức năng của chu kỳ sản xuất Trong thiết kế và hoạt động sản xuất của một nhà máy hiện đại, máy tính trở nên một công cụ cần thiết và hưũ ích Để các nhà máy, xí nghiệp và những con người làm việc trong đó hiểu thế nào là CAD/CAM là một công việc rất quan trọng và hữu ích

Ưu điểm của chu kì sản xuất với công nghệ CAD/CAM:

- Thiết kế các sản phẩm có hình dạng phức tạp trong không gian 3D

- Liên kết với các Modul khác để thực hiện quá trình tính toán phân tích kỹ thuật, mô phỏng gia công thử để kịp thời sữa chữa trước khi tiến hành quá trình sản xuất

- Biên dịch các đường chạy dao chính xác dùng cho công nghệ gia công trên các máy CNC và truyền chương trình gia công cho các máy gia công CNC qua mạng máy tính

1.1.6 ứng dụng CAD/CAM trong thiết kế 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

1.1.6.1 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):

- 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

Hình 10: Qui trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống

1.1.6.2 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 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

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

Hình 11: Qui trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ CAD/CAM

1.2 ứng dụng công nghệ CAD/CAM trong ngành khuôn mẫu (khuôn đúc nhựa)

1.2.1 Tình hình ứng dụng công nghệ CAD/CAM trong sản xuất khuôn mẫu trên thế giới

Trên thế giới, cuộc cách mạng về máy tính điện tử đã có tác động lớn vào nền sản xuất công nghiệp Đặc biệt, trong ngành công nghiệp chế tạo khuôn mẫu hiện

đại, công nghệ thông tin (CNTT) đã được ứng dụng rộng rãi, để nhanh chóng chuyển đổi các quá trình sản xuất theo kiểu truyền thống sang sản xuất công nghệ cao (CNC); nhờ đó các giai đoạn thiết kế và chế tạo khôn mẫu từng bước được tự

động hoá

Các nước có nền công nghiệp tiên tiến như: Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan… đã hình thành mô hình liên kết tổ hợp, để sản xuất khuôn mẫu chất lượng cao, cho từng lĩnh vực công nghệ khác nhau:

- Chuyên thiết kế chế tạo khuôn nhựa, khuôn dập nguội, khuôn dập nóng, khuôn đúc áp lực, khuôn ép chảy, khuôn dập tự động…

- Chuyên thiết kế chế tạo các cụm chi tiết tiêu chuẩn, phục vụ chế tạo khuôn mẫu như: các bộ đế khuôn tiêu chuẩn, các khối khuôn tiêu chuẩn, trụ dẫn hướng, lò

so, cao su ép nhăn, các loại cơ cấu cấp phôi tự động…

- Chuyên thực hiện các dịch vụ nhiệt luyện cho các công ty chế tạo khuôn;

- Chuyên cung cấp các loại dụng cụ cắt gọt để gia công khuôn mẫu

- Chuyên cung cấp các phần mềm chuyên dụng CAD /CAM/CIMATRON, CAE…

- Chuyên thực hiện các dịch vụ đo lường, kiểm tra chất lượng khuôn…

Những mô hình trên chính là mô hình liên kết mở, giúp các doanh nghiệp có

điều kiện đầu tư chuyên sâu vào từng lĩnh vực với việc ứng dụng CNC, theo hướng

tự động hoá quá trình sản xuất, nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và phát huy tối

đa năng lực thiết bị của mình Điển hình là mô hình công nghiệp sản xuất khuôn mẫu của Đài Loan Năm 2002, Đài Loan đã xuất khẩu khuôn mẫu đi các nước: Trung Quốc, Mỹ, Inđônesia, Thái Lan, Việt Nam… với tổng trị giá 18.311.271.000

đài tệ, tương đương 48.726 tấn khuôn mẫu Khuôn mẫu của Đài Loan được đánh giá

đạt tiêu chuẩn quốc tế nhưng giá thành chỉ bằng 50% giá nhập ngoại, do đã luôn ứng dụng cập nhật những CN mới (CN vật liệu mới, CN tự động hoá, CNTT) vào quá trình sản xuất

Việc ứng dụng công nghệ CAD/CAM vào công nghiệp chế tạo khuôn mẫu hiện nay theo các hướng sau:

1 Hoàn thiện phát triển phần cứng điều khiển số CNC Hướng này là sự kết hợp giữa –Cơ-Tin- Điện tử và đã có kết quả rất tốt Các dây chuyền sản xuất đồng

bộ với hàng loạt các thiết bị công nghiệp, máy công cụ có gắn hệ điều khiển CNC với độc hính xác gia công cao Hãng FANUC và HEIDENHAIN là hai hãng nghiên cứu và chế tạo hệ điều khiển CNC nổi tiếng nhất thê giới (chiếm khoảng 90% thị trường điều khiển CNC) Phát triển phần mềm theo hướng

đơn giản trong lập trình, tích hợp nhiều tính năng và giao diện thân thiện, linh hoạt hơn

2 Xây dựng hệ thống phần mềm tích hợp CAD/CAM/CAE trợ giúp thiết kế và chế tạo khuôn mẫu Có thể nói CNTT được ứng dụng triệt để trong hướng phát triển này Có thể kể đến các hệ phần mềm nổi tiếng như CATIA (do Dassaul Systemse viết và thường được các hãng Nhật Bản và Mỹ sử dụng) Phần mềm Pro-Engineer do Parametric Technology xây dựng và phát triển, Cimatron (do Cimatron Ltd., Nhật Bản và Isaren hợp tác), DELCAM do Delcam – vương quốc Anh), MasterCAM do CNC Softwere INC xây dung Hướng phát triển tiếp của hệ thống CAD/CAM sẽ là bổ sung các loại mô hình thiết kế, cập nhật thêm các phương pháp gia công chính xác, hiệu quả và hiện

đại hơn

3 Phát triển các phần mềm trợ giúp thiết kế tính toán , kiểm định và mô phỏng Hướng phát triển nàu khá mới mẻ (khi CNTT đủ đáp ứng được yêu cầ về phần cứng và phần mềm) và đang được ưu tiên đầu tư hàng đầu Lợi ích đáng

kể nhất của phần mềm này là cho phép người sử dụng thiết kế nhanh hơn, chính xác hơn và đặc biệt là có thể giảm thiểu các sai sót trong khâu thiết kế

và chế tạo (giảm sai số hệ thống) Trong lĩnh vực khuôn mẫu có thể kể đến thư viện trợ giúp thiết kế khuôn theo tiêu chuẩn Hàng trăm công ty lớn nhỏ khác nhau sản xuất các chi tiết tiêu chuẩn để cung cấp cho các nhà chế tạo khuôn Hướng tiêu chuẩn hóa đang là xu thế tất yếu trong các lĩnh vực chế

tạo nói chung Một ví dụ khác là ứng dụng thiết kế ngược (inverse engineering): bên cạnh thiết bị có độ phức tạp cao thì các phần mềm thiết kế ngược đã tạo nên một xu hướng thiết kế mới: thiết kế theo mẫu Những ứng dụng của chúng đã và đang chứng tỏ ưu việt hơn hẳn các phương pháp thiết

kế truyền thống: nhanh, chính xác và đặc biệt thích ứng được với các yêu cầu ngày cang cao của khách hàng (chất lượng và thời gian)

Ngoài 3 hướng ứng dụng trên, một loạt các ứng dụng mới có tính thời sự cao như công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid propotype), công nghệ laser, công nghệ gia công tốc độ cao cũng đang được triển khai với quy mô quốc tế

Các phần mềm CAD/CAM phổ biến trên thế giới:

Ngày nay, các phần mềm CAD/CAM rất phong phú và đa dạng, trên thị trường hiện nay thông dụng là AutoCAD, Inventor, TurboCAD, Catia, Unigraphics, Cimatron, Pro/Engineer, Mastercam … CAD/CAM đang chiếm một vai trò hết sức

to lớn trong nền kinh tế nói chung và ngành cơ khí nói riêng

Từng hãng đều có các thế mạnh riêng và đi sâu vào các giải pháp cụ thể cho ngành cơ khí

Hình 12: Các phần mềm CAD/CAM phổ biến trên thế giới

- Sù t¨ng tr−ëng cña thÞ tr−êng CAD/CAM theo c¸c n¨m:

H·ng Dassault víi c¸c s¶n phÈm: CATIA, SOLID WORKS…

H·ng UGS víi s¶n phÈm: SOLIDEDGE, FEMAP…

H·ng PTC víi s¶n phÈm: PRO-Engineering…

1.2.2 Khảo sát thị trường khuôn mẫu tại Việt Nam

Hiện nay các cở sở sản xuất khuôn mẫu trong nước chủ yếu tập trung ở TP.Hồ Chí Minh ,đặc biệt là các cơ sở sản xuất khuôn mẫu cho ngành nhựa nổi bật

là các doanh nghiệp như Phú Vinh, Mô Tiến, Muto Việt Nam, Tín An các doanh nghiệp này đã đầu tư nhà máy chế tạo khuôn mẫu hàng triệu USD với các trang thiết

bị hiện đại ở ngoài Hà Nội thì có các doanh nghiệp như Công Ty Kim khí Thăng Long , Cơ khí Đông Anh, Nhựa Hà Nội , Công ty cổ phần nhựa cao cấp hàng không APLACO là những doanh nghiệp đi đầu trong lĩnh vực khuôn mẫu Trong đó Cty Kim khí Thăng Long là đơn vị đi đầu trong việc xây dựng trung tâm khuôn dập; đã thiết kế, chế tạo hơn 3.000 bộ khuôn dập định hình, có độ phức tạp cao của xe máy như: đuôi xe, càng xe, bộ tay lái… Cty cũng đã đào tạo được một đội ngũ cán bộ có

bề dày kinh nghiệm; có khả năng thiết kế nhanh những khuôn mẫu đòi hỏi độ phức tạp và chính xác cao Trên thực tế, sản phẩm khuôn mẫu của Kim khí Thăng Long

đã được các Cty Honda và IKEA chấp nhận và coi là một đối tác lớn

Như vậy dù trong tình trạng chung, ngành khuôn mẫu vẫn chưa thực sự phát triển nhưng với sự đầu tư thích đáng các doanh nghiệp lớn đã và ngành sản xuất khuôn mẫu trong nước đang dần lớn mạnh phát triển cả chất và lượng để phục vụ nhu cầu khuôn mẫu trong nước cũng như xuất khẩu ra nước ngoài các sản phẩm đạt tiêu chuẩn quốc tế

Quy hoạch phát triển ngành cơ kim khí Hà Nội giai đoạn 2006-2010 đã xác

định: Tập trung phát triển các nhóm sản phẩm: Thiết bị đồng bộ; sản phẩm máy công nghiệp; sản phẩm thiết bị kỹ thuật điện; công nghiệp ô tô - xe máy; sản phẩm cơ kim khí tiêu dùng Trong số đó, nhóm sản phẩm cơ bản có liên quan đến sử dụng khuôn mẫu là: sản phẩm máy công nghiệp, sản phẩm ô tô - xe máy và một số ngành sản xuất khác như: sản xuất sản phẩm từ cao su, plastic phục vụ công nghiệp và gia dụng

Kết quả khảo sát thực tế về nhu cầu khuôn mẫu đến 2010, đơn cử riêng về khuôn dập, của một số Cty như sau (bộ /năm):

- Cty Cơ khí Thăng Long: K.dập là 1.500 bộ;

- Cty Điện cơ Thống Nhất: K dập là 75 bộ;

- Cty chế tạo máy điện VN -HGR: K dập là 150 bộ;

sử dụng các phần mềm miễn phí, bản dùng thử, hay không có bản quyền

- Đội ngũ cán bộ sử dụng công nghệ CAD/CAM còn ít, trình độ còn hạn chế

do chưa được đào tạo bài bản

- Trang bị máy công cụ gia công điều khiển số CNC để chế tạo khuôn mẫu phục vụ ngày cang phổ biến ở các doanh nghiệp, mỗi doanh nghiệp chỉ mới trang bị một vài trung tâm gia công phay CNC, tiện CNC và một vài thiết bị gia công CNC khác (do nguồn vốn có hạn) đều thuộc cỡ trung và nhỏ nên sản phẩm làm ra mới chỉ

là loạt nhỏ, cỡ nhỏ, đơn giản, không đồng đều về mặt chất lượng Còn các doanh nghiệp nhỏ hơn thường mua máy CNC cũ của Nhật có giá rất rẻ

- Việc ứng dụng các hệ phần mềm tích hợp CAD/CAM/CAE hiện nay khá sôi

động và ngày một rộng rãi Các doanh nghiệp đã nhận they được sức mạnh của công nghệ CAD/CAM trong việc chế tạo các loại khuôn mẫu có độ chính xác và phức tạp cao

- Vấn đề đào tạo CAD/CAM: Hiện nay hầu hết các trường đại học kỹ thuật chế tạo đã có môn học về CAD/CAM/CNC với kiến thức được cập nhật thư[ơngf xuyên Tuy nhiên chất lượng đào tạo còn chưa thực sự cao do còn thiếu máy CNC để thực hành Bên cạnh đó các trường dạy nghề, các viện nghiên cứu cũng góp phần

đáng kể vào việc đào tạo công nhân và kỹ sư Song hầu hết các kỹ sư, công nhân khi

đi làm đều cần đào tạo lại Điều này cho they chất lượng đào tạo chưa theo kịp với nhu cầu của sản xuất

1.2.4 Giải pháp CAD/CAM cho ngành khuôn mẫu tại doanh nghiệp thực tế

Công ty Kim khí Thăng Long (KKTL) là doanh nghiệp chuyên sản xuất đồ kim khí gia dụng (như xoong nồi, dao nĩa bằng inox; bếp dầu tráng men; bồn nước, chậu rửa ) và công nghiệp (như các chi tiết xe máy), do đó khuôn mẫu đóng một vai trò quan trọng, quyết định tính cạnh tranh của sản phẩm và cũng là sự tồn vong của doanh nghiệp Ngay từ năm 1994, KKTL đã hình thành một nhóm cán bộ chuyên sâu về CNTT, đến 1996, thành lập Phòng Thiết Kế chuyên phát triển sản phẩm mới do các chuyên viên thiết kế được đào tạo tại Đài Loan đảm trách Họ sử dụng hàng chục máy tính chạy phần mềm thiết kế AutoCAD, CIMATRON làm mô phỏng mẫu mã sản phẩm, quá trình dập sản phẩm P, gia công khuôn, triển khai các phôi liệu và tính toán lực tối ưu trên máy tính Năm 1998, công ty đầu tư thêm máy móc và tự viết PM ứng dụng công nghệ CNC trong thiết kế chế tạo khuôn mẫu và các chi tiết cơ khí có độ phức tạp cao (đề tài này đã đạt giải thưởng VIFOTEX năm 2000)

Những năm trước đây, việc thiết kế và chế tạo khuôn mẫu chủ yếu dựa vào kinh nghiệm, tay nghề của thợ, do đó khi gia công gặp rất nhiều trở ngại Công nghệ CAD/CAM đã hoàn toàn khắc phục được các nhược điểm đó, cho ra sản phẩm khuôn mẫu chất lượng cao 'KKTL sản xuất 120-150 khuôn mẫu/tháng, tăng gấp 10 lần so với khi làm thủ công', ông Nguyễn Việt Hùng, quản đốc phân xưởng Khuôn Mẫu cho biết

Ông Phạm Hữu Hùng, phó giám đốc đầu tư của KKTL, cho biết: 'Sau khi đầu tư hơn 30 tỉ đồng vào CAD/CAM, công ty đã thực sự tìm được lời giải cho thiết kế

và gia công khuôn mẫu, tạo tiền đề để mở rộng sản xuất' Sự trợ giúp của công nghệ

và thiết bị CNC ngày một phát huy hiệu quả, mở rộng phạm vi ứng dụng của công nghệ vào sản xuất