ghiên cứu và ứng dụng các phần mềm CADCAMCNC của catia,

Qua những phân tích trên ta thấy được việc nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm CAD/CAM vào việc xây dựng và lập chương trình gia công cho các bề mặt phức tạp trên máy công cụ CNC là điều

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

CAO THẾ MINH

NGIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CAD/CAM/CNC CỦA CATIA, MASTERCAM TRONG THIẾT KẾ VÀ GIA CÔNG BỀ MẶT PHỨC TẠP

TRÊN MÁY GIA CÔNG CNC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS TRƯƠNG HOÀNH SƠN

Hà Nội – Năm 2013

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Viện Đào tạo sau đại học, Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện tốt giúp em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Em xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn - TS Trương Hoành Sơn đã tận

tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện đề tài Thầy đã truyền tải cho em thấy được những yếu tố cần thiết đối với hoạt động nghiên cứu Thầy đã cùng tham gia thảo luận và đề xuất giải pháp cho các vấn đề liên quan Đồng thời, thầy cũng cung cấp cho em nhiều tư liệu chuyên môn quan trọng để tìm hiểu sâu và toàn diện hơn đề tài được giao

Xin chân thành cảm ơn sự cộng tác hỗ trợ từ Trung tâm Thực hành Cơ khí – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các cán bộ công tác tại Trung tâm vì sự giúp đỡ tận tình đối với quá trình thực nghiệm luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, ngày 26 tháng 9 năm 2013

Cao Thế Minh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác, trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận văn

Tác giả

Cao Thế Minh

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC HÌNH ẢNH

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU 3

1.1 Tổng quan về các nghiên cứu 3

1.1.1 Tổng quan về CNC 3

1.1.2 Tổng quan về CAD/CAM 6

1.2 Giới hạn nghiên cứu của đề tài 13

1.3 Kết luận chương I 14

Chương 2: CÔNG NGHỆ CAD/CAM/CNC TRONG VIỆC GIA CÔNG CÁC BỀ MẶT PHỨC TẠP 15

2.1 Thế nào là bề mặt phức tạp 15

2.2 Quá trình thiết kế và gia công các bề mặt phức tạp theo công nghệ truyền thống 16 2.3 Quá trình thiết kế và gia công các bề mặt phức tạp có sử dụng các phần mềm CAD/CAM/CNC 17

2.4 Phần mềm Catia 18

2.4.1 Giới thiệu chung 18

2.4.2 Các khái niệm trong Catia 24

2.4.3 Liên kết tham số và mục đích thiết kế 25

2.4.4 Chức năng trợ giúp sản xuất CAM của Catia 29

2.5 Phần mềm Mastercam 30

2.5.1 Giới thiệu chung 31

2.5.2 Các chức năng cơ bản của phần mềm Mastercam 32

2.5 Kết luận chương II 55

Chương 3: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA V5R20 VÀ MASTERCAM ĐỂ XÂY DỰNG VÀ LÀM CHƯƠNG TRÌNH GIA CÔNG MỘT SỐ BỀ MẶT

PHỨC TẠP 57

3.1 Ứng dụng phần mềm CATIA V5R20 để xây dựng mô hình sản phẩm 57

3.2 Thiết kế quy trình công nghệ gia công Lõi Khuôn Động có ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CNC 63

3.2.1.Quy trình công nghệ gia công tấm lõi khuôn động trải qua 8 nguyên công 63 3.3 Biên dịch các chương trình gia công chi tiết trên phầm mềm Mastercam69 3.3.1 Chọn máy và định nghĩa phôi 69

3.3.2 Chọn dao và chế độ cắt 75

3.3.3 Mô phỏng trong MasterCam 85

3.4 Gia công trên máy phay CNC 86

3.5 Sản phẩm sau gia công 90

Chương 4 KẾT QUẢ GIA CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHUNG VỀ SẢN PHẨM 91

4.1 Gia công sản phẩm trên máy CNC 91

4.1.1 Máy gia công 91

4.1.2 Một số thông số chính về công nghệ và dao cụ 92

4.1.3 Sản phẩm 93

4.2 Kiểm tra sản phẩm sau khi gia công để đánh giá độ chính xác cũng như chất lượng bề mặt của chi tiết sau khi gia công 94

4.2.1 Đo độ nhám của bề mặt sản phẩm 94

4.2.2 Kiểm tra độ chính xác của sản phẩm 96

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Quá trình hình thành và phát triển của CAD/CAM/CAE 8

Hình 1.2 Liên kết dữ liệu giữa CAD và CAM 9

Hình 1.3 Mối quan hệ CAD/CAM 10

Hình 2.1 Qui trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống 16

Hình 2.2 Qui trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ CAD/CAM/CNC 18

Hình 2.3 Giao diện chính của phần mềm Catia 19

Hình 2.4 Thiết kế sản phẩm với Catia 20

Hình 2.5 Lập trình gia công tiện CNC trên Catia 20

Hình 2.6 Lập trình gia công phay CNC trên Catia 21

Hình 2.7 Thư viện Catia 21

Hình 2.8 Truyền dữ liệu CAD bằng IGES 22

Hình 2.9 Thiết kế và mô phỏng robot bằng Catia 23

Hình 2.10 Thiết kế các tuyến ống dẫn phức tạp trên Catia 23

Hình 2.8 Giao diện màn hình Mastercam 31

Hình 3.1 Vào môi trường FreeStyle 57

Hình 3.2 Vẽ biên dạng 58

Hình 3.3 Tạo mặt biên dạng tay cầm 58

Hình 3.4 Tạo biên dạng phụ 59

Hình 3.5 Tạo phần thân 59

Hình 3.6 Tạo hệ thống nút 60

Hình 3.7 Biên dạng hệ thống nút 60

Hình 3.8 Tạo nửa đối xứng 61

Hình 3.9 Tạo bề dày chi tiết 61

Hình 3.10 Tạo hệ thống lỗ 62

Hình 3.11 Tạo chốt bắt vít 62

Hình 3.12 Sản phẩm hoàn chỉnh 63

Hình 3.14 Sơ đồ gá đặt nguyên công 2 65

Hình 3.15 Sơ đồ gá đặt nguyên công 8 67

Hình 3.16 Chọn kiểu tệp tin 70

Hình 3.17 Đưa chi tiết (Part6.ipt) vào môi trường gia công 70

Hình 3.18 Chọn máy gia công 71

Hình 3.19 Định nghĩa phôi 71

Hình 3.20 Chọn phương pháp gia công thô 73

Hình 3.21 Chọn các bề mặt cần gia công 73

Hình 3.22 Chọn đường biên giới hạn vùng chạy dao 74

Hình 3.23 Chọn đường biên giới hạn vùng chạy dao 75

Hình 3.24 Tạo dụng cụ cắt mới 77

Hình3.25 Điều chỉnh kích thước dao 78

Hình 3.26 Trang Parameter 79

Hình 3.27 Tạo dụng cụ cắt thứ hai, thứ ba 81

Hình 3.28 Thông số bề mặt gia công 82

Hình 3.29 Thông số gia công thô 83

Hình 3.30 Thông số gia công túi hốc 84

Hình 3.31 Đường chạy dao 85

Hình 3.32 Mô phỏng cắt thô 85

Hình 3.33 Mô phỏng cắt tinh 86

Hình 3.34 Chương trình NC 87

Hình 3.35 Chương trình NC 88

Hình 3.38 Lõi Khuôn Động sau gia công 90

Hình 4.1 Máy phay CNC GV503 91

Hình 4.2 Dao trụ 32 ghép mảnh VP15TF, hãng Mitsubishi 92

Hình 4.3 Dao cầu 12 (Super Carbide Tool) CEB2 6R TIALN, hãng CMTéc 92

Hình 4.4 Dao cầu 6 (Micro Grain Carbide) S220 EB2 3R TIALN, hãng CMTéc 93 Hình 4.5 Sản phẩm Lõi khuôn động sau gia công 93

Bảng 4.1 Các cấp độ nhám 95

Hình 4.6 Máy đo độ bóng Mitutoyo SJ-400 95

Hình 4.7 Đầu đo thực hiện đo độ bóng 96

Hình 4.9 Thiết bị Scan 3D ATOS I 102

Hình 4.13 Sai số trong gia công 103

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật

đã thúc đẩy các ngành công nghiệp sản xuất tự động phát triển theo Trong lĩnh vực

cơ khí chế tạo, sự ra đời của máy công cụ điều khiển bằng chương trình số với sự trợ giúp của máy tính, gọi tắt là máy CNC, đã đưa ngành cơ khí chế tạo sang một thời kỳ mới, thời kỳ sản xuất hiện đại

Hầu hết các nhà máy, xí nghiệp, các khu công nghiệp ở nước ta hiện nay ít nhiều đều được bố trí các máy công cụ CNC để phục vụ sản xuất, bao gồm các loại máy Phay, Tiện, Bào, Mài, Khoan có số trục điều khiển 2, 3, 4, 5 Nhưng các cơ

sở sản xuất hầu như chưa biết cách khai thác hết khả năng gia công trên máy Lý do chủ yếu là trình độ lập trình của cán bộ kỹ thuật Việt Nam còn yếu, các chương trình điều khiển máy CNC được người lập trình viết bằng tay, chưa biết sử dụng các phần mềm hỗ trợ để lập trình Trong khi đó nhu cầu chế tạo các sản phẩm có hình dáng hình học phức tạp ngày càng gia tăng, đặc biệt trong một số lĩnh vực như ngành da giầy, ngành dệt, sản xuất hàng tiêu dùng, chế tạo khuôn mẫu

Vì vậy, ứng dụng công nghệ CAD/CAM phục vụ cho máy công cụ CNC là vấn đề được nhiều người quan tâm, bởi công nghệ này không chỉ phục vụ trong sản xuất hiện đại, mà còn góp phần nâng cao năng suất chế tạo sản phẩm gia công cơ khí Chất lượng của một sản phẩm gia công cơ khí không chỉ là vấn đề về độ bền,

độ bóng bề mặt, mà còn bao hàm cả độ chính xác về vị trí tương quan, độ chính xác hình dáng hình học của chi tiết gia công, thời gian, giá thành gia công chi tiết Để chế tạo được những sản phẩm cơ khí có đủ những tính năng như vậy thì các trung tâm gia công CNC nhiều trục luôn là lựa chọn hiệu quả, nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm thời gian gia công

Qua những phân tích trên ta thấy được việc nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm CAD/CAM vào việc xây dựng và lập chương trình gia công cho các bề mặt phức tạp trên máy công cụ CNC là điều rất cần thiết

Với định hướng như vậy tôi đã chọn thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp với

nội dung “Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm CAD/CAM/CNC trong thiết kế

và gia công bề mặt phức tạp trên máy gia công CNC” Nội dung của luận văn gồm:

- Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu liên quan đến đề tài trong và ngoài nước và giới hạn nghiên cứu

- Chương 2: Công nghệ CAD/CAM/CNC trong việc gia công các bề mặt phức tạp

- Chương 3: Ứng dụng phần mềm Catia để xây dựng và làm chương trình gia công một số bề mặt phức tạp

- Chương 4: Kết quả gia công và đánh giá chung về sản phẩm

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI TRONG VÀ

NGOÀI NƯỚC VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về các nghiên cứu

1.1.1 Tổng quan về CNC

Mặc dù máy tiện chế biến gỗ đã được sử dụng từ rất lâu nhưng chiếc máy tiện gia công kim loại thực tế đầu tiên mới được Henry Maudslay phát minh vào năm 1800 Nó chỉ đơn giản là một công cụ máy giữ mẩu kim loại đang được gia công (hay phôi) trong một bàn kẹp hay trục quay và quay mẩu kim loại đó, và một công cụ cắt có thể gia công bề mặt theo đường mức mong muốn Công cụ cắt này được nhân viên vận hành thông qua việc sử dụng một cái tay quay hay vô lăng Độ chính xác về kích cỡ được nhân viên vận hành điều khiển bằng cách quan sát đĩa chia độ trên vô lăng và di chuyển công cụ cắt theo số lượng hợp lý Mỗi chi tiết được sản xuất ra đòi hỏi vận hành viên phải lặp lại những cử động trong cùng trình

tự và với cùng kích thước

Chiếc máy phay đầu tiên được vận hành theo cách thức tương tự như vậy, ngoại trừ công cụ cắt được đặt ở trục chính đang quay Phôi được lắp trên bệ máy hay bàn làm việc và di chuyển theo công cụ cắt, qua việc sử dụng vô lăng để gia công đường mức của phôi Chiếc máy phay này do Eli Whitney phát minh năm

1818 Những chuyển động được sử dụng trong các công cụ máy được gọi là trục và

đề cập đến 3 trục: “X” (thường từ trái qua phải), “Y” (trước ra sau) và “Z” (trên và dưới) Bàn làm việc cũng có thể được quay theo mặt ngang hay dọc, tạo ra trục chuyển động thứ tư Một số máy còn có trục thứ năm, cho phép trục quay theo một góc

Một trong những vấn đề của dòng máy ban đầu này là chúng đòi hỏi nhân viên vận hành phải sử dụng vô lăng để tạo ra mỗi chi tiết Ngoài tính nhàm chán và gây mệt mỏi về thể chất, khả năng chế tạo các chi tiết của vận hành viên cũng bị hạn chế Chỉ một khác biệt nhỏ trong vận hành sẽ dẫn đến những thay đổi trong

kích thước và khi đó, tạo ra những chi tiết không phù hợp Tỉ lệ phế phẩm được tạo

ra từ những hoạt động như vậy là khá cao, gây lãng phí nguyên liệu và thời gian lao động Khi số lượng sản xuất tăng lên thì tỉ lệ phế phẩm cũng tăng cao, do đó điều cần thiết ở đây là một phương tiện vận hành các chuyển động của máy một cách tự động Những nỗ lực ban đầu để “tự động hóa” các hoạt động này là sử dụng một loạt Cam để di chuyển dao cụ hay bàn làm việc qua những liên kết (linkage) Khi Cam quay, một liên kết lần theo bề mặt của mặt Cam (cam face), di chuyển công cụ cắt hay phôi qua một dãy các chuyển động Mặt Cam được định hình để điều khiển khối lượng chuyển động liên kết và tốc độ, còn Cam quay điều khiển tốc độ cấp dao Một số máy vẫn còn tồn tại cho tới ngày nay và được gọi là máy “Swiss” (máy kiểu Thụy Sĩ), một cái tên đồng nghĩa với gia công chính xác

Thiết kế máy CNC hiện đại bắt nguồn từ tác phẩm của John T Parsons cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950, John Parsons quản lý một hãng sản xuất hàng không ở thành phố Traverse, Michigan Sau Thế chiến II, Parsons tham gia sản xuất cánh máy bay trực thăng, một công việc đòi hỏi phải gia công chính xác các hình dạng phức tạp Đối mặt với tính phức tạp ngày càng cao của hình dạng chi tiết và những vấn đề về toán học và kỹ thuật như vậy, Parsons đã tìm ra những biện pháp để giảm chi phí kỹ thuật cho công ty Ông đã xin phép International Business Machine sử dụng một trong những chiếc máy tính văn phòng trung ương của họ để thực hiện một loạt các phép toán cho một cánh máy bay trực thăng mới Cuối cùng, ông đã dàn xếp với Thomas J Watson, chủ tịch huyền thoại của IBM, nhờ đó IBM

sẽ làm việc với tập đoàn Parsons để tạo ra một chiếc máy được điều khiển bởi các thẻ đục lỗ Như vậy, thông qua việc sử dụng máy tính IBM thời kì đầu, ông đã có thể tạo ra những thanh dẫn đường mức chính xác hơn nhiều khi sử dụng các phép tính bằng tay và sơ đồ Dựa trên kinh nghiệm này, ông đã giành được hợp đồng phát triển một “máy cắt đường mức tự động” cho không quân để tạo mặt cong cho cánh máy bay Đó là hợp đồng với Air Force để sản xuất một chiếc máy được điều khiển bằng thẻ hay băng từ có khả năng cắt các hình dạng đường mức giống như những

điều khiển động cơ trợ động (servomotor) chính xác, chiếc máy được chế tạo cực kì lớn, phức tạp và đắt đỏ Mặc dù vậy, nó làm việc một cách tự động và sản xuất các mặt cong với độ chính xác cao đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp máy bay Sau đó, Parsons đã đến gặp các kĩ sư ở phòng thí nghiệm thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) nhờ hỗ trợ dự án Các nhà nghiên cứu MIT đã thí nghiệm nhiều kiểu quá trình khác nhau và cũng đã làm việc với các dự án Air Force từ thời Thế chiến II Phòng thí nghiệm MIT đã nhận thấy đây là một cơ hội tốt để mở rộng nghiên cứu sang lĩnh vực điều khiển và cơ cấu phản hồi Việc phát triển thành công các công cụ máy CNC đã được các nhà nghiên cứu của trường đại học đảm trách với mục tiêu đáp ứng nhu cầu của các nhà bảo trợ quân đội.

Như vậy ý tưởng dùng nguyên lý điều khiển số vào máy công cụ xuất hiện do nhu cầu của quân đội đã được hiện thực hóa Đến những năm 1960, giá thành và tính phức tạp của những chiếc máy tự động giảm đến một mức độ nhất định để có thể ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác Những chiếc máy này sử dụng các động cơ truyền động điện một chiều để vận hành vô lăng và vận hành dao cụ Các động cơ này nhận chỉ dẫn điện từ một đầu đọc băng từ — đọc một băng giấy có chiều rộng khoảng 2,5cm có đục một hàng lỗ Vị trí và thứ tự lỗ cho phép đầu đọc sản xuất ra những xung điện cần thiết để quay động cơ với thời gian và tốc độ chính xác, trong thực tế nó điều khiển máy giống như nhân viên vận hành Các xung điện được quản lý bởi một máy tính đơn giản không có bộ nhớ Chúng thường được gọi

là NC hay máy điều khiển số Một nhà lập trình sản xuất băng từ trên một máy giống như máy đánh chữ, hay chính xác hơn là những “băng giấy” được sử dụng ở những máy tính thời kì đầu, sử dụng như một “chương trình” Kích cỡ của chương trình được xác định bởi độ dài của băng cần phải đọc để sản xuất ra một chi tiết cụ thể Các bộ điều khiển số đầu tiên dùng đèn điện tử nên tốc độ xử lý chậm, cồng kềnh và tiêu tốn nhiều năng lượng Việc sử dụng chúng cũng rất khó khăn, như chương trình được chứa trong các băng và bìa đục lỗ, khó hiểu và không sửa chữa được Giao tiếp giữa người và máy rất khó khăn vì không có màn hình, bàn phím Sau khi các linh kiện bán dẫn được sử dụng phổ biến trong công nghiệp thì máy nhỏ

gọn hơn, tốc độ xử lý cao hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn, nhưng tính năng sử dụng của máy NC vẫn chưa được cải thiện đáng kể cho đến khi có sự ứng dụng của máy tính.

Sự xuất hiện IC (1959), LSI (1965), vi xử lý (1974) và các tiến bộ kỹ thuật về lưu trữ và xử lý số liệu đã làm nên cuộc cách mạng trong kỹ thuật điều khiển số máy công cụ Các bộ phận điều khiển số trên máy công cụ được tích hợp máy tính

và thuật ngữ CNC (Computer Numerical Control) được sử dụng từ đầu thập kỷ 70 Máy CNC ưu việt hơn máy NC thông thường về nhiều mặt như tốc độ xử lý cao, kết cấu gọn…nhưng ưu điểm quan trọng nhất của chúng là ở tính năng sử dụng, giao diện với người dùng và các thiết bị ngoại vi khác Các máy CNC ngày nay có màn hình, bàn phím và nhiều thiết bị khác để trao đổi thông tin với người dùng Nhờ màn hình người dùng được thông báo thường xuyên về tình trạng của máy, cảnh báo các lỗi, có mô phỏng để kiểm tra trước quá trình gia công…Máy CNC có thể làm việc đồng bộ với các thiết bị sản xuất khác như robot, băng tải, thiết bị đo…trong hệ thống sản xuất Áp dụng điều khiển số và công nghệ thông tin vào điều khiển máy công cụ đã tạo ra cuộc cách mạng trong công nghệ chế tạo cơ khí, nhờ đó các sản phẩm được chế tạo ra ngày càng chính xác hơn, đẹp hơn, giá thành thấp hơn

1.1.2 Tổng quan về CAD/CAM

Lịch sử phát triển của CAD/CAM liên quan trực tiếp tới sự phát triển của đồ hoạ máy tính Đương nhiên CAD/CAM bao hàm một nội dung rộng lớn hơn đồ hoạ máy tính, song hệ đồ hoạ máy tính viết tắt là ICG (Interative Computer Graphics) là

bộ phận cơ bản của CAD Lịch sử phát triển của đồ hoạ máy tính diễn biến qua nhiều thời kỳ:

- Một trong những dự án quan trọng đầu tiên trong lĩnh vực đồ hoạ máy tính

là dự án triển khai ngôn ngữ APT tại Học viện Công nghệ Massachusetts vào giữa thập kỷ 50 APT là chữ viết tắt của thuật ngữ Automatically Programed Tools, có nghĩa là "máy công cụ được lập trình tự động" Dự án này có quan hệ mật thiết với

yếu tố hình học phục vụ việc lập trình cho máy công cụ điều khiển số Mặc dù sự phát triển của APT là một cột mốc quan trọng trong lĩnh vực đồ hoạ máy tính, nhưng việc sử dụng ngôn ngữ APT trước đây lại ít liên quan với đồ hoạ máy tính

- Một ý tưởng khác, ra đời vào khoảng cuối thập kỷ 50 có tên là "bút quang"

Ý tưởng về bút quang xuất hiện khi nghiên cứu cách xử lý dữ liệu ra đa của một dự

án quốc phòng gọi là SAGE (Semi-Automatic Ground Environment system) Mục đích của dự án này là triển khai một hệ thống phân tích dữ liệu rađa và làm rõ mục đích được coi là máy bay địch trên màn hình CRT (Catode Ray Tube - ống phóng chùm tia âm cực) Để tiết kiệm thời gian vào việc hiển thị máy bay đánh chặn của chủ nhà chống lại máy bay địch, người ta nghĩ ra bút quang, dụng cụ dùng để vẽ hình ảnh trực tiếp lên màn hình và giúp cho CPU nhận biết vị trí cụ thể của màn hình vừa được bút quang tiếp xúc

- Năm 1963 Ivan Sutherland công bố một số kết quả đầu tiên về đồ hoạ máy tính, cho phép tạo ra và làm chủ các hình ảnh trong thời gian thực trên màn hành CRT

- Nhiều tập đoàn công nghiệp như General Motors, IBM, Lockheed-Georgia, Itek Corp, Mc Ponell, v.v đã bắt đầu thực hiện những dự án về đồ hoạ máy tính

từ những năm 60 Đến cuối thập kỷ 60 một số nhà cung cấp hệ thống CAD/CAM đã được thành lập, trong đó phải kể đến hãng Calma vào năm 1969 Các hãng này bán trọn gói theo kiểu chìa khoá trao tay, trong đó gồm có hầu hết hoặc toàn bộ phần cứng và phần mềm theo yêu cầu của khách hàng Một số hãng khác phát triển theo hướng cung cấp phần mềm đồ hoạ như hãng Pat Hanratti mà công ty thành viên của

nó là MCS đã cho ra đời AD 2000 (với phiên bản sau đó là ANVIL 4000), được coi

là gói phần mềm CAD phổ dụng

Như vậy, khái niệm CAD (Computer Aided Design) có nghĩa là: Thiết kế với

sự trợ giúp của máy tính Mục tiêu của lĩnh vực CAD là: Tự động hoá từng bước, tiến tới tự động hoá cao trong quá trình thiết kế sản phẩm 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

Khái niệm CAM (Computer Aided Manufacturing) có nghĩa là: Sản xuất với

sự trợ giúp của máy tính Mục tiêu của lĩnh vực CAM là: Mô phỏng quá trình chế tạo, lập trình chế tạo sản phẩm trên các máy CNC 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 tiết cơ khí

1950

NC

CNC

FMS CIM

CAM

CAD/CAM

CAD/CAM/CAECAD

CAE

CAD/CAE

Hình 1.1 Quá trình hình thành và phát triển của CAD/CAM/CAE

Như vậy, khái niệm CAD/CAM dù đã có từ rất lâu nhưng vẫn đang tiếp tục được phát triển và mở rộng Ban đầu CAD và CAM được sử dụng độc lập để mô tả việc lập trình bộ phận với sự trợ giúp của máy tính và các bản vẽ, đồ họa Trong những năm gần đây, hai khái niệm này được nối kết với nhau để tạo ra khái niệm thống nhất CAD/CAM, biểu diễn một phương pháp tích hợp máy tính trong toàn bộ quá trình sản xuất bao trùm cả hai khâu thiết kế và sản xuất Cụ thể trong khâu thiết

các mô hình học, phân tích các phần tử hữu hạn, bản ghi các chi tiết và kế hoạch, thông tin chương trình NC Trong khâu sản xuất, các ứng dụng của máy tính bao trùm trong lập kế hoạch quá trình, điều độ sản xuất, NC, CNC, quản lý chất lượng

và lắp ráp

Mục đích của tích hợp CAD/CAM là hệ thống hóa dòng thông tin từ khi bắt đầu thiết kế sản phẩm tới khi hoàn thành quá trình sản xuất Chuỗi các bước được tiến hành với việc tạo dữ liệu hình học, tiếp tục với việc lưu trữ và xử lý bổ sung, và kết thúc với việc chuyển các dữ liệu này thành thông tin điều khiển cho quá trình gia công, di chuyển nguyên vật liệu và kiểm tra tự động được gọi là kỹ thuật trợ giúp bởi máy tính CAE (Computer – Aided Engineering) và được coi như kết quả của việc kết nối CAD và CAM Mục đích của công nghệ CAE không chỉ thay thế con người bằng các thiết bị máy tính hóa mà còn nâng cao năng lực của con người

để phát minh các ý tưởng và những sản phẩm mới

Việc sử dụng các hệ thống CAD/CAM đã làm thay đổi một cách căn bản quy trình thiết kế, gia công Hệ thống CAD/CAM với mô đun CAD sẽ cung cấp một công cụ để thiết kế mô hình hình học, phân tích và tối ưu hóa nó Việc kết nối của thiết kế và gia công thông qua một cơ sở dữ liệu dùng chung

Hình 1.2 Liên kết dữ liệu giữa CAD và CAM

Nhờ có sự kết nối này mà những thay đổi của bản thiết kế nhanh chóng được cập nhật vào trong cơ sở dữ liệu và truyền tới quá trình gia công và ngược lại người thiết kế cũng dễ dàng nhận được các thông tin phản hồi từ quá trình gia công

Do có mối liên hệ chặt chẽ giữa việc tạo lập bản vẽ thiết kế và lập chương trình gia công CNC, CAD và CAM thường đi kèm với nhau trong các gói phần mềm (sorfware), được gọi là các hệ thống CAD/CAM Một số hệ thống CAD/CAM

điển hình hiện nay như: Mastercam, Solid Work, Cimatron, Catia, Pro/Engineer, Unigrafic…

Phương pháp sử dụng hệ thống CAD/CAM để xuất chương trình gia công một cách tự động đã và đang được coi là phương pháp hiệu quả nhất Đặc biệt là trong trường hợp gia công trên máy CNC nhiều trục (từ 3 trục trở lên) Hầu hết các đơn vị sản xuất có trang bị máy CNC thì đều có hệ thống CAD/CAM đi kèm

CAD

CAM

Hình 1.3 Mối quan hệ CAD/CAM

Như vậy, lợi ích của CAD/CAM có nhiều, song chỉ có một số trong đó là có thể định lượng được Một số lợi ích khác khó có thể lượng hoá được mà chỉ thể hiện

ở chỗ chất lượng công việc được nâng cao, thông tin tiện dụng, điều khiển tốt hơn

Tài liệu thiết kế

Thiết kế sản phâm

Phân tích tính toán

Mô hình hình học

Phản hồi

khách hàng Thiết bị

Qui trình gia công Dữ liệu

Vật liệu Chương

trình CNC

Kế hoạch tiến độ sx

Các tiêu chuẩn sx

Máy CNC

Sản phẩm

Robot &

thiết bị vc

Kiểm định chất lượng Thị

trường

a, Nâng cao năng suất thiết kế

Năng suất cao giúp cho vị thế cạnh tranh của một hãng được nâng lên vì giảm được yêu cầu nhân lực của một đồ án, dẫn tới hạ giá thành và thời gian xuất xưởng của một sản phẩm Tổng kết một số đơn vị có sử dụng hệ CAD cho thấy năng suất

có thể tăng từ 3 – 10 lần so với công nghệ thiết kế cũ, thậm chí còn cao hơn, tuỳ theo các yếu tố sau đây :

- Độ phức tạp của bản vẽ kỹ thuật

- Mức độ tỉ mỉ của bản vẽ

- Mức độ lặp đi lặp lại của chi tiết hay bộ phận được thiết kế

- Mức độ đối xứng của bộ phận được thiết kế

- Tính dùng chung của các chi tiết để lập thư viện

b, Giảm thời gian chỉ dẫn

Thiết kế với hệ CAD nhanh hơn thiết kế theo cách truyền thống, đồng thời nó cũng đẩy nhanh các tác vụ lập biểu bảng và báo cáo (lập các bảng liệt kê cụm lắp ghép chẳng hạn) mà trước đây phải làm bằng tay Do vậy, một hệ CAD có thể tạo ra một tập bản vẽ cuối cùng về các chi tiết máy và các báo cáo, biểu bảng kèm theo một cách nhanh chóng Thời gian chỉ dẫn trong thiết kế được rút ngắn dẫn đến kết quả là làm giảm thời gian kể từ khi nhận đơn đặt hàng đến khi giao sản phẩm

c, Phân tích thiết kế

Các chương trình phân tích thiết kế có sẵn trong một hệ CAD giúp quá trình thiết

kế diễn ra theo những khuôn mẫu tác nghiệp có logic hơn, không cần phải trao đi đổi lại giữa nhóm thiết kế và nhóm phân tích mà cũng những con người ấy, họ vẫn

có thể tiến hành công việc phân tích khi bản thiết kế hãy còn nằm trên máy tính của trạm thiết kế Điều đó giúp cho người kỹ sư tập trung tư tưởng hơn vì họ đang đối thoại trực tiếp với bản thiết kế của mình Nhờ khả năng phân tích này mà bản thiết

sẽ tối ưu hơn Mặt khác, thời gian thiết kế nói chung cũng sẽ được tiết kiệm hơn do

sự phân tích thiết kế giờ đây ứng xử nhanh hơn và không còn mất thời gian trao đi đổi lại từ bàn vẽ của người thiết kế tới bàn làm việc của người phân tích như trước đây nữa

d, Giảm sai sót thiết kế

Các hệ CAD vốn có khả năng tránh các sai sót về thiết kế, vẽ và lập hồ sơ tư liệu, thuyết minh kỹ thuật Do vậy các lỗi vào (input) và di chuyển dữ liệu thường xảy

ra khi lập liệt kê chi tiết và làm dự trù vật liệu bằng cách thủ công thì ở đây đều bị loại bỏ Sở dĩ có thể chính xác như vậy chủ yếu là do khi đã có bản vẽ ban đầu rồi thì các thông tin về nó không còn phải quản lý bằng cách thủ công nữa Mặt khác, các công việc lặp đi lặp lại, tốn nhiều thời gian sau khi có bản vẽ nói trên như di chuyển nhiều ký hiệu hay hình vẽ, sắp xếp theo khu vực hay theo chi tiết cùng loại v.v đều được thực hiện nhanh chóng với kết quả chính xác và nhất quán Nhờ khả năng tương tác người - máy, các hệ CAD còn có khả năng đặt câu hỏi xem dữ liệu đưa vào có mắc lỗi không Đương nhiên các khả năng kiểm tra việc vào dữ liệu loại này tuỳ thuộc vào ý định của các nhà thiết kế hệ CAD muốn đặt câu hỏi cho dữ liệu đầu vào nào và hỏi cái gì để người thiết kế tự kiểm tra lại xem mình vào đã đúng chưa

e, Các phép tính thiết kế có độ chính xác cao hơn

Độ chính xác toán học trong hệ CAD là 14 con số có nghĩa sau dấu chấm thập phân Đặc biệt độ chính xác khi thiết kế các đường và mặt ba chiều thì cho đến nay chưa có phương pháp tính tay nào so sánh được Độ chính xác do sử dụng các hệ CAD còn thể hiện ở rất nhiều phương diện Chẳng hạn các chi tiết được đặt tên và đánh số như thế nào thì chúng vẫn được bảo toàn trong trong toàn bộ các bản vẽ Hoặc nếu có môt sự thay đổi nào của một chi tiết thì sự thay đổi ấy vẫn được bảo toàn trong toàn bộ gói hồ sơ và tác động tới tất cả các bản vẽ có sử dụng chi tiết ấy

Độ chính xác do hệ CAD mang lại còn làm cho việc lập tiên lượng và dự toán công trình được chính xác hơn, tiến độ mua sắm vật tư được sít sao hơn

f, Các lợi ích trong giai đoạn chế tạo

Cơ sở dữ liệu của hệ CAD/CAM được dùng cho cả giai đoạn thiết kế và việc lập

kế hoạch và điều khiển sản xuất Các lợi ích trong giai đoạn chế tạo bao gồm:

- Thiết kế đồ gá và dụng cụ cắt để chế tạo sản phẩm

- Lập quy trình công nghệ bằng máy tính

- Liệt kê bản vẽ lắp (do hệ CAD lập) để sản xuất

- Dò khuyết tật bằng máy tính

- Lập kế hoạch tay máy người máy

- Lập công nghệ nhóm

1.2 Giới hạn nghiên cứu của đề tài

Ngày nay, do nhu cầu đòi hỏi của thị trường và sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ, các hệ thống công nghệ CAD/CAM đã được phát triển rộng rãi Các hệ thống này đã được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực sản xuất, nghiên cứu khoa học phục vụ đời sống ngày càng cao của con người

Các phần mềm tích hợp được hình thành bởi việc liên kết nhiều modul khác nhau trong một hệ thống nhất Mỗi modul thực hiện một công đoạn của quá trình thiết kế, chế tạo Các hệ thống này có ưu điểm là các hệ thống tích hợp dùng chung một cơ sở dữ liệu, tạo điều kiện cho việc nhanh chóng cập nhật các thay đổi Ngoài

ra một ưu điểm nổi bật là khả năng kiểm tra độ tương thích của các chi tiết thiết kế trong một khối lắp ráp tổng thể và thực hiện các hiệu chỉnh cần thiết Khi điều chỉnh thì các chi tiết liên quan sẽ tự động cập nhật điều chỉnh theo

Hiện nay, trên thị trường xuất hiện rất nhiều các phần mềm về CAD/CAM, mỗi một loại đều có những ưu, nhược điểm riêng nên việc lựa chọn và sử dụng thế nào để có thể phát huy tối đa những tiện ích của chúng cũng là một vấn đề đáng được quan tâm

Trong giới hạn của đề tài này tôi sẽ trình bày việc nghiên cứu ứng dụng phần mềm CAD/CAM nhằm phục vụ một số tiêu chí sau:

- Xây dựng bản vẽ các chi tiết từ những yêu cầu của khách hàng

- Lắp ghép, kiểm tra tương quan hình học, tính hợp lý trong quá trình lắp của các chi tiết

- Tiến hành lập chương trình CNC để gia công các chi tiết có bề mặt phức tạp Mô phỏng, kiểm tra và tối ưu chương trình gia công trước khi gia công

- Kiểm tra sản phẩm sau khi gia công để đánh giá độ chính xác cũng như chất lượng bề mặt của chi tiết sau khi gia công

- Đánh giá chung

1.3 Kết luận chương I

- Ngày nay CAD/CAM thực sự đã trở thành một công nghệ có tốc độ phát triển cực kỳ nhanh chóng, rất nhiều hãng sản xuất và cung cấp sản phẩm trong lĩnh vực này Việc sử dụng các sản phẩm CAD/CAM đem lại rất nhiều lợi ích Nó giúp đẩy nhanh quá trình sản xuất, giảm tối đa sai sót trong thiết kế, tiết kiệm được nguyên vật liệu và giảm giá thành của sản phẩm Chính vì đạt được nhiều ưu điểm như vậy nên việc ứng dụng các sản phẩm CAD/CAM vào trong sản xuất sẽ là xu hướng tất yếu của quá trình phát triển sản xuất

Các sản phẩm CAD/CAM rất đa dạng, chúng có khá nhiều các môđun giúp cho ta có thể tiến hành từ xây dựng bản vẽ, kiểm tra chúng đến việc làm các chương trình gia công cũng như tối ưu hoá quá trình gia công đó trước khi gia công thực tế Như vậy, việc lựa chọn sử dụng phần mềm nào để phù hợp với điều kiện sản xuất, phát huy được hết tính năng, những ưu điểm của những phần mềm đó cũng là một vấn đề hết sức quan trọng

Chương 2 CÔNG NGHỆ CAD/CAM/CNC TRONG VIỆC GIA CÔNG CÁC BỀ MẶT

PHỨC TẠP 2.1 Thế nào là bề mặt phức tạp

Mô hình hình học của một đối tượng vẽ và thiết kế là khái niệm được đặc trưng bởi:

- Hình dáng hình học các thành phần cấu thành nên đối tượng vẽ

- Hình thái cấu trúc hợp thành của đối tượng vẽ

- Mô tả bằng toán học các điểm, đường, bề mặt, khối của đối tượng vẽ Như vậy, mục đích bao trùm của mô hình hình học là thiết lập cơ sở dữ liệu hình học của đối tượng vẽ và thiết kế Nhờ đó có thể thực hiện được quá trình vẽ và thiết kế đối tượng trên máy tính Trong CAD, mô hình hoá hình học tương ứng với giai đoạn tổng hợp, đòi hỏi mô tả hình dáng hình học của một đối tượng dưới dạng toán học theo cách máy tính có thể xử lý được Các phương pháp khác để biểu diễn đối tượng thành mô hình hình học:

- Mô hình khung dây: Thông qua một hệ toạ độ xác định và dựa vào các yếu

tố hình học cơ bản là: điểm, đường thẳng, cung tròn, đường tròn, đường cong người ta có thể xây dựng được một “mô hình khung dây”của một đối tượng nào đó Cơ sở dữ liệu xác định mô hình khung dây đó chính là danh sách toạ độ các đỉnh và danh sách từng mặt với các đỉnh của nó

- Mô hình mặt: đó chính là sự kết hợp giữa mô hình khung dây với một lớp

vỏ mỏng Thông thường đối với mô hình mặt tạo bởi các dạng bề mặt cơ bản như: mặt phẳng, mặt nón, mặt trụ, mặt cầu thì có thể miêu tả dễ dàng bằng các phương trình toán học Tuy nhiên, đối với các bề mặt không tuân theo một phương trình toán học cơ bản thì việc mô tả nó gặp rất nhiều khó khăn

Như vậy, các bề mặt cong phức tạp có thể hiểu đó là các bề mặt không tuân theo một phương trình toán học nào Để có thể miêu tả được chúng thì người ta thường tách chúng ra thành vô số các mảnh nhỏ và mô phỏng các mảnh nhỏ theo dạng các bề mặt cơ bản ở trên Các mảnh nhỏ dễ mô tả bằng toán học hơn, thông

qua đó chúng hợp thành lưới các mảnh mặt Như vậy, lưới mảnh đa giác càng nhiều thì độ chính xác của mặt biểu diễn càng cao và ngược lại

- Mô hình đặc: là cách thể hiện tốt nhất vật thể 3 chiều Phương pháp này sử dụng những hình dáng hình học đặc gọi là các nguyên thể để dựng nên đối tượng

2.2 Quá trình thiết kế và gia công các bề mặt phức tạp theo công nghệ

truyền thống

Thông thường trong công nghệ gia công truyền thống, các mặt cong phức tạp

sẽ 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 đoạn phân biệt:

- Tạo mẫu sản phẩm

- Lập bản vẽ kỹ thuật

- Tạo mẫu chép hình

- Gia công chép hình

Hình 2.1 Qui trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống

Ta thấy qui trình này sẽ có rất nhiều hạn chế, đó là:

Lấy mẫu

- Dễ bị sai do nhầm lẫn hay hiểu sai vì phải xử lý rất nhiều 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 – gia công chép hình

2.3 Quá trình thiết kế và gia công các bề mặt phức tạp có sử dụng các phần

mềm CAD/CAM/CNC

Sự phát triển của phương pháp mô hình hoá hình học cùng với thành 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:

- Bản vẽ kỹ thuật được tạo từ hệ thống vẽ và tạo bản vẽ với sự trợ giúp của máy 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 tạo hình

Hình 2.2 Qui trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ CAD/CAM/CNC

Nhược điểm của công nghệ này đó chính là giá thành đắt và cần phải có người có trình độ cao để phục vụ trong quá trình sản xuất

2.4 Phần mềm Catia

2.4.1 Giới thiệu chung

Hiện tại, thị trường phần mềm đồ họa trên thế giới rất đa dạng, việc lựa chọn phần mềm nào để phục vụ tốt cho công việc thực sự là một điều khó khăn Tuy nhiên, có năm chỉ tiêu cần biết khi chọn phần mềm là:

- Tính linh hoạt

- Tính khả thi

- Tính đơn giản

- Tính biểu diễn được & tính kinh tế

Một trong những phần mềm có được những tính năng trên như Catia,

Lấy mẫu, số hoá

GIA CÔNG TRÊN MÁY CNC

giá là rất mạnh và rất nổi tiếng trong lĩnh vực CAD/CAM/CNC Tùy vào thế mạnh của mỗi phần mềm mà chúng có những ứng dụng chuyên biệt: Catia, Unigraphics

NX phục vụ triệt để cho ngành công nghiệp hàng không, ô tô, tàu thủy Catia phục

vụ rất tốt cho ngành cơ khí khuôn mẫu ( thiết kế và gia công) như khuôn dập, khuôn rèn, khuôn nhựa… Catia đang chiếm lĩnh các thị trường hạng trung và cao

Catia được viết tắt từ cụm từ (Computer Aided three dimensional interactive Application), dịch nôm na nghĩa trong tiếng việt có nghĩa là “ Xử lý tương tác trong không gian ba chiều có sự hỗ trợ của máy tính”, Catia là một phần mềm thương mại phức hợp CAD/CAM/CAE được hãng Dassault Systemes (đây là một công ty của Pháp) phát triển và IBM là nhà phân phối trên toàn thế giới Catia được viết bằng ngôn ngữ lập trình C++ Catia là viên đá nền tảng đầu tiên của bộ phần mềm quản

lý toàn bộ 1 chu trình sản phẩm của hãng Dassault

Hình 2.3 Giao diện chính của phần mềm Catia

Catia là tiêu chuẩn thế giới khi giải quyết hàng loạt các bài toán lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau: Xây dựng, cơ khí, tự động hóa, công nghiệp ô tô, tàu thủy

và cao hơn là công nghiệp hàng không, nó giải quyết một cách triệt để, từ khâu mô hình CAD( Computer Aided Design), đến khâu sản xuất dựa trên cơ sở CAM

Phần mềm Catia có các môđun sau:

CAD: (Dùng để thiết kế sản phẩm từ đơn giản đến phức tạp) Được tích hợp bao

gồm các modul như Part Desgin,Drafting,Sheet Metal, Mold Tooling, tích hợp các modul xử lý bề mặt, tạo các mặt phức tạp, ứng dụng nhiều trong hàng không như: Generative Shape, Free Style, Sketch Tracker

Hình 2.4 Thiết kế sản phẩm với Catia

CAM: (bao gồm các modul về phay và tiện, áp dụng các phương pháp phay, tiện

tiên tiến nhất) Lathe Machining, Mill Machining

Hình 2.5 Lập trình gia công tiện CNC trên Catia

Hình 2.6 Lập trình gia công phay CNC trên Catia

CATIA BASE: Đảm bảo điều kiện, kiểm tra hệ thống, tạo điều kiện thiết lập môi

trường, điều kiện hội thoại, kiểm tra thực hiện các toán tử và cả các tiệm cận vào dữ liệu của các modun

CATIA LIBRARY: Thư viện của các phần tử CAD/CAM mà chúng có thể hòa

đồng một số mô hình cùng đồng thời Các đối tượng có thể tìm kiếm bằng từ khóa

Hình 2.7 Thư viện Catia

CATIA INTERFACE: Truyền các dữ liệu giữa các phần mềm CAD khác nhau

bằng IGES

Hình 2.8 Truyền dữ liệu CAD bằng IGES

CATIA DRAFTING: Chứa hàm số để tạo phần tử 2D, ghi kích thước, tô mặt cắt,

mô tả câu chữ…

CATIA SOLIDS GEOMETRY: Mô hình hóa thể tích để tạo hình, hiệu chỉnh và

phân tích vật thể, nó cho phép các toán tử logic giữa các vật thể( hợp, giao, trừ) Vật thể được tạo từ các đối tượng đơn giản bằng việc dịch chuyển hoặc quay Profile

CATIA KINEMATICS: Giúp xác định cấu trúc động học của cơ cấu, mô phỏng và

phân tích chuyển động, xác định vận tốc và gia tốc của các chi tiết cơ cấu, đường chuyển động và các bài toán va chạm

CATIA IMAGE DESIGN: Tạo sự biểu diễn thực với phần khuất hoàn toàn, xác

định điều kiện chiếu sang và các thông số bề mặt của đối tượng

CATIA FINITE ELEMENT MODELLER: Mô hình tổng thể mô tả tính chất vật lý

và vật liệu, điều kiện biên và tải trọng đối tượng

CATIA ROBOTIC: Thiết kế và mô phỏng robot với các lệnh chuẩn, định nghĩa cấu

trúc robot, đặc trưng hình học, động học, đồng bộ hóa nhiều robot

Hình 2.9 Thiết kế và mô phỏng robot bằng Catia

CATIA BUILDING DESIGN AND FACILITIES LAYOUT: Tạo thiết kế các bản

vẽ xây dựng, sắp đặt các đối tượng và định nghĩa mối quan hệ giữa chúng

CATIA SHEMATICS: Công cụ để sắp đặt vị trí các công cụ cơ bản, vẽ các sơ đồ,

thiết lập các liên kết logic giữa các phần tử và điều khiển chúng

CATIA PIPING AND TUBING: Thiết kế những tuyến ống dẫn phức tạp, toán tử

logic với vật thể, thăm dò va chạm…

Hình 2.10 Thiết kế các tuyến ống dẫn phức tạp trên Catia

CATIA GRAPHIC TINTENSIVE INTERFACE: Công cụ lập trình để mở rộng

những hàm số mới và tiếp cận mở vào môi trường Catia

Tuy nhiên Catia còn rất nhiều Modun hỗ trợ thiết kế và gia công khuôn mẫu, thiết kế kim loại tấm, xử lý các quá trình gia công không phoi, hỗ trợ lập trình điều khiển, thiết kế bo mạch…

Như vậy, Catia là một chương trình đầy quyền năng tích hợp nhiều phân hệ thiết kế, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Trong quá trình sản xuất người thiết kế phải học sử dụng rất nhiều chương trình riêng biệt để có các phân hệ tương ứng phục vụ cho quá trình thiết kế Thì với Catia ta đã có đầy đủ các công cụ, lệnh cũng như các giải pháp cho nhiều ngành nghề Cơ khí, Cơ- Điện tử, Điện- Điện tử Công nghệ thiết kế tham số có ưu điểm sau:

- Giúp các nhà thiết kế phát triển ý tưởng thiết kế của mình theo đúng quy luật: Đi từ phác thảo ý tưởng đến chính xác hóa mô hình và cuối cùng là đưa ra tài liệu thiết kế

- Giúp cho quá trình thiết kế được mềm dẻo, linh hoạt, các ý tưởng thiết kế

dễ dàng thay đổi, chỉnh sửa trong từng giai đoạn

- Dễ kế thừa các kết quả đã thiết kế, trao đổi tài liệu thiết kế, tạo ra các thư viện thiết kế dùng chung hoặc cho riêng bản thân mình

- Giữ được mối liên kết giữa mô hình sản phẩm và tài liệu thiết kế

- Catia là một phần mềm thiết kế theo trường phái “dán hình”, từ chuyên môn gọi là thủ pháp Lampshade Tức là giống như công việc tạo hình từ những mặt cong phức tạp trên cơ sở những đường cong biên 3 chiều Sau đó mới dùng từ mặt phức hợp Surface để tạo khối Solid, với cách thức này thì việc thiết kế các bề mặt phức tạp là điểm mà Catia rất mạnh và đó cũng là lý do mà các hãng công nghiệp lớn về

ô tô, đóng tàu, chế tạo máy bay… trên thế giới lựa chọn làm công cụ thiết kế

2.4.2 Các khái niệm trong Catia

Để sử dụng Catia ta hình dung một sản phẩm công nghiệp( Product) thường được cấu tạo từ nhiều cụm chi tiết khác nhau, và trong mỗi cụm chi tiết(component)

tiết như sàn xe, các cánh cửa, hệ thống bánh xe, máy móc Trong cụm hệ thống bánh xe thì mỗi bánh xe là một chi tiết, và trong mỗi bánh xe thì lại chứa nhiều chi tiết con khác Catia giúp chúng ta quản lý các sản phẩm của mình theo hệ thống các cụm chi tiết và các chi tiết như trên

Mức độ đơn giản nhất các bộ phận có thể là những hình dạng hình học riêng biệt gọi là các Features, bao gồm các chi tiết dạng Solid như: Khối kéo(Extrusion),

Lỗ (hole) vát (Chamfer), tạo vỏ mỏng (Shell), khối xoay (Revolve), khối quét (Sweep), quét xoắn (Helical Sweep), quét với tiết diện thay đổi (Variable Section Sweep), bo (Round), côn (Draft), gân (Ribs), gờ (Líp), tai (Ears)…ở mức độ cao hơn chúng có thể là những chi tiết lắp ráp riêng biệt, cùng kết hợp với nhau, phụ thuộc lẫn nhau theo một phương pháp nào đó

Tại tất cả các cấp độ, các bộ phận được tạo ra và lắp ráp với nhau để hướng tới một mục đích chung là thiết kế

2.4.3 Liên kết tham số và mục đích thiết kế

Khi thiết kế trong Catia ta có thể sử dụng các ràng buộc, các tham số, ta cũng có thể sử dụng ý tưởng này vào các xử lý khác để có các định nghĩa hình học một cách đơn giản, hoặc ta có thể sử dụng chúng với những tính toán phức tạp hơn như thể tích khối, trọng tâm…thành lập những mối quan hệ động học giữa những thực thể thiết kế có thể tránh số lượng lớn thời gian khi cần đến thay đổi thiết kế Xây dựng

mô hình sử dụng các tham số liên kết sẽ giúp người thiết kế có thể thử nghiệm nhanh các giải pháp thiết kế

a Liên kết linh hoạt giữa các môi trường làm việc

Sự chuyển đổi giữa các môi trường làm việc trong Catia hết sức linh hoạt bằng cách sử dụng thanh công cụ Start giúp cho người thiết kế cảm thấy thoải mái và tiết kiệm được thời gian không chỉ cho phép ta thiết kế những chi tiết riêng lẻ một cách nhanh chóng Với những phần mềm khác như: Pro/E, Solid/Edge, Solid Work…Để bắt đầu lắp ráp các chi tiết máy thiết kế các bạn cần các thao tác thoát file các chi tiết bạn đang thiết kế và tạo một file lắp ráp mới rất mất thời gian Đối với Catia ngay cả khi bạn đang làm việc trong môi trường thiết kế mà bạn muốn chuyển sang

môi trường lắp ráp thì bạn chỉ cần chuyển sang môi trường lắp ráp là bạn đã thực hiện được bước tạo file rất nhanh chóng và linh hoạt Hoặc khi muốn mô phỏng cơ cấu chuyển động đã lắp ráp bạn cũng chỉ việc thực hiện thao tác tương tự ở trên để vào môi trường mô phỏng chuyển động Ngoài ra ta cũng có thể thấy được những chức năng, tính năng thiết kế và mô phỏng của Catia khi sử dụng nó

Trong Catia có chứa cây thư mục Specification Tree nằm ở bên trái màn hình

đồ họa, cây thư mục này chứa toàn bộ thông tin trong quá trình thiết kế, trình tự thực hiện lệnh trong quá trình thiết kế theo thứ tự từ trên xuống, do đó người dùng

có thể dễ dàng hiệu chỉnh và xóa bỏ các câu lệnh đã thực hiện ở mọi giai đoạn thiết

kế bằng cách kích lên vị trí tương ứng

b Các chế độ thiết kế cơ bản của Catia

Khi ta đưa ra một ý tưởng thiết kế để hoàn thành trong Catia, ta chuyển những thông tin thiết kế qua 3 bước thiết kế cơ sở:

- Tạo những chi tiết là các thành phần của thiết kế (Parts)

- Ghép những chi tiết trong một lắp ráp ở đó ghi những quan hệ vị trí của các chi tiết (Assembly)

- Tạo những bản vẽ chi tiết căn cứ trên những thông tin trong Parts và Assembly

Catia coi mỗi bước là một chế độ riêng biệt, mỗi chế độ có những đặc trưng riêng, phần mở rộng của file riêng, các chế độ có mối liên hệ mật thiết với nhau Khi xây dựng một mô hình thiết kế, mô hình đó được nhập để lưu trữ tất cả những thông tin kích thước, dung sai và những phương thức rằng buộc Nếu thay đổi thiết

kế tại một chế độ (Part, Assembly, Drawing), Catia phản hồi tự động đến tất cả các chế độ khác

* Chế độ Part (vẽ chi tiết)

Hầu hết các thiết kế bắt đầu ở chế độ Part Trong những file chi tiết (.CATPart) ta tạo các bộ phận riêng biệt, các bộ phận này sẽ lắp vào nhau trong cùng một file lắp ráp (.CATProduct), chế độ Part cho phép ta tạo và hiệu chỉnh các

xoay (Revolve), khối quét (Sweep), quét xoắn (Helical Sweep), quét với tiết diện thay đổi (Variable Section Sweep), bo (Round), tinh chỉnh (Tweak), côn (Draft), gân (Ribs), gờ (Líp), tai (Ears)…

Hầu hết các Feature bắt đầu từ một tiết diện, khi tiết diện được định nghĩa, ta gán giá trị kích thước thứ 3 cho nó để tạo thành dạng 3D Ta tạo tiết diện 2D bằng công cụ phác thảo (Sketcher) Sketcher cho phép vẽ tiết diện với các đường thẳng (line), các góc (Angles), các cung tròn (Arcs), và nhập chính xác các kích thước khi

vẽ xong

* Chế độ Assembly (lắp ráp)

Sau khi tạo xong các chi tiết trong một mô hình, ta tạo một file lắp ráp rỗng cho mô hình rồi lắp ráp từng chi tiết trong phạm vi giới hạn của nó Trong quá trình này ta phối hợp hoặc sắp xếp các chi tiết tới vị trí chúng sẽ chiếm ở thủ tục cuối cùng Trong lắp ráp ta có thể định nghĩa những khung nhìn khai triển để quan sát hoặc hiển thị những mối quan hệ của các chi tiết một cách tốt hơn

Với những công cụ phân tích mô hình, ta có thể đo lường những thuộc tính và thể tích của khối lắp ráp để xác định trọng lượng, trọng tâm và quán tính của nó Ta cũng có thể xác định sự giao nhau giữa các bộ phận trong toàn bộ lắp ráp

để tác động trở lại mô hình 3D từ Drawing

- Các chuẩn, trục và các hệ tọa độ

Khi tạo một file chi tiết mới, ta thấy 3 mặt phẳng chuẩn và một hệ tọa độ được

tự động thêm vào trên màn hình Các mặt phẳng chuẩn tự động thêm vào có tên

Front, Top và Right Vị trí trục Z vuông góc với mặt phẳng chuẩn Front Nếu

hướng mặt chuẩn Front đồng phẳng với màn hình thì trục Z vuông góc với màn hình

Có thể thêm các chuẩn tại các thời điểm khác nhau từ menu chính, sử dụng

Insert  Datum: Xác định kiểu chuẩn, tham chiếu và khoảng offset nếu cần

Để định nghĩa lại các chuẩn ta chọn chúng từ Model Tree và dùng lệnh Edit Definition trên menu tắt của nút chuột phải

- Định nghĩa về Sketcher

Sketcher là một chế độ con của chế độ Part, có thể xem nó như bản vẽ 2D ở trong môi trường 3D Ta sẽ sử dụng nó để tạo hầu hết các hình học sử dụng trong một chi tiết Sau khi xây dựng xong một phác thảo, hoặc một tiết diện các thành phần liên kết như các ràng buộc hình học hoặc các quan hệ kích thước phải được thêm vào và hiệu chỉnh

- Các công cụ Sketcher

Các công cụ hình học Sketcher cơ bản tạo đường thẳng (line), đường tròn (Circle), và cung tròn (Arc) như ở hầu hết các chương trình vẽ

+ Mặt phẳng vẽ phác và các tham chiếu Sketcher

Đầu tiên ta phải chọn một mặt phẳng, đây là mặt ta sẽ vẽ lên nó Khi chọn một mặt phẳng hoặc một bề mặt làm mặt phác thảo thì mặt đó sẽ được quay trùng với mặt phẳng màn hình

+ Thêm hoặc hiệu chỉnh các kích thước

Khi đã kết thúc việc phác thảo, các kích thước được Sketcher tự động thêm vào khi vẽ Ta phải nhập giá trị đúng cho từng kích thước

+ Thêm các rằng buộc (Constraints) trong Sketcher

- Từ phác thảo đến 3D

Khi một tiết diện Sketcher được gán chiều sâu nó trở thành một thực thể 3D gọi là khối Extrusions, khối này có thể được thêm hoặc bỏ bớt vật liệu, nó

có thể là một khối đặc hoặc một khối cắt

Extrusions có thể định nghĩa một vài phương pháp, nhập chiều sâu khi xây

Khi hoàn tất tiết diện và thoát khỏi chế độ Sketcher, ta được nhắc định nghĩa chiều sâu, lúc này ta sẽ nhập giá trị chiều sâu

2.4.4 Chức năng trợ giúp sản xuất CAM của Catia

Catia là gói phần mềm tích hợp nhiều chức năng trợ giúp thiết kế, phân tích

kỹ thuật và lập trình cho máy CNC Catia được chia nhỏ thành nhiều modul, người

sử dụng có thể chọn mua tuỳ theo nhu cầu sử dụng Các chức năng của Catia có thể được gộp thành 3 nhóm chính như sau: Chức năng trợ giúp thiết kế (CAD), chức năng trợ giúp phân tích thiết kế (CAE) và chức năng trợ giúp sản suất (CAM)

* Chức năng trợ giúp sản suất CAM

- Catia/NC: Thực hiện chức năng lập trình cho các máy CNC Việc lập trình được thực hiện qua các bước: Tạo mô hình gia công (Manufacturing Model), định nghĩa thiết bị (Work Cell), nguyên công (Operation), trình tự gia công (NC Sequence), sinh quỹ đạo dao (CL Data), hậu xử lý (Postprocessor)

Để đáp ứng các nhu cầu da dạng, Catia/NC lại được chia thành các modul nhỏ Catia/NC đưa ra nhiều chiến lược gia công giúp người dùng có thể xử lý một cách linh hoạt:

Volume: Phay một thể tích vật liệu với cách điều khiển kiểu 2.5 trục

Local Mill: Cắt bỏ vật liệu sót lại từ nguyên công trước

Surface Mill: Phay theo các bề mặt

Conventl srf: Phay mặt cong bằng các đường ăn dao song phẳng

Face: Phay mặt phẳng với điều khiển kiểu 2.5 trục

Profile: Phay viền quanh bề mặt bằng mặt bên của dao (mặt trụ dao)

Pocketing: Phay các mặt dạng túi rỗng

Trajectory: Xác định quỹ đạo dao theo kiểu tương tác

Holemaking: Khoan, doa, phay lỗ côn

Thread: Gia công ren chi tiết

Engraving: Xác định đường chuyển dao theo các đường vẽ trang trí

Plunge: Phay theo kiểu đục

Trong các chiến lược gia công, Catia cho phép ta chọn nhiều kiểu chạy dao:

Type 1: Dao di chuyển song song với trục X, khi gặp đảo thì rút dao lên

Type Spiral: Dao di chuyển theo hình xoắn ốc

Type 2: Dao lượn vòng khi gặp đảo ở giữa mặt gia công

Type one dir: Dao di chuyển song song với trục X, đến cuối hành trình

nhấc lên trở về đầu hành trình mới

Type one connect: Dao di chuyển song song với trục X, đến cuối hành trình nhấc lên trở về đầu hành trình cũ, di chuyển tới đầu hành trình mới

Đặc biệt phần mềm này còn cung cấp môi trường tạo Postprocessor cho các trung tâm gia công CNC rất tiện lợi Đây là một tiện ích quan trọng nhưng khó sử dụng vì muốn làm một NC Postprocessor người dùng cần phải hiểu rõ về lập trình

NC nói chung, về hệ điều hành mà máy của mình đang dùng, nhập các tham số của máy vào hộp thoại

2.5 Phần mềm Mastercam

Phần mềm Mastercam là một trong số phần mềm mạnh về gia công , cho phép tự động nhận được chương trình gia công điều khiển chuyển động các máy công cụ CNC, sau khi chúng ta thiết lập bản vẽ của chi tiết máy, chọn phôi, vật liệu, dao cụ

và kiểu chạy dao Trong phần mềm Mastercam có một module đặc biệt, module Project, cho phép chúng ta dễ dàng lập các chương trình CNC gia công các chi tiết

có biên dạng phức tạp trên các bề mặt khác nhau

Mastercam rất mạnh về phần gia công các bề mặt, tuy nhiên lại yếu về thiết kế, vì vậy để có được một quá trình tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh từ khâu thiết kế đến gia công không nên dùng mỗi Mastercam, mà nên sử dụng kết hợp các phần mềm thiết

kế như Catia, solidwork, Pro/I… để thiết kế chi tiết, và sau đó thì xuất sang Mastercam và thực hiện các bước gia công, trên tinh thần đó, tôi đã lựa chọn Catia

để thực hiện quá trình thiết kế chi tiết, Mastercam cho quá trình gia công chi tiết trong đề tài

Trình tự chung để lập trình gia công một chi tiết với Mastercam:

Bước 1: Thiết lập mô hình hình học của chi tiết

Bước 3: Thiết đặt các tham số dao cụ và các tham số công nghệ…

Bước 4: Mô phỏng và sản xuất chương trình NC……

Chương trình cụ thể của Mastercam:

2.5.1 Giới thiệu chung

Hình 2.11 Giao diện màn hình Mastercam

Sau khi vào MasterCAM, hệ thống sẽ hiển thị màn hình làm việc của MasterCAM với các phân vùng chính sau:

- Vùng điều khiển chạy dao:

- Vùng đồ họa: Là nơi hiển thị các hình ta vẽ ra, hiển thị các đường chạy dao

ta thiết lập

2.5.2 Các chức năng cơ bản của phần mềm Mastercam

Phần mềm Mastercam là một phần mềm chuyên về biên dịch chương trình, tuy nhiên nó cũng có đầy đủ các lệnh vẽ 2D, 3D cơ bản Trong quá trình nghiên cứu, ngoài việc ứng dụng Mastercam để biên dịch chương trình tôi cũng đã tìm hiểu về các chức năng vẽ của phần mềm này Mastercam có các chức năng cơ bản như sau:

2.5.2.1 Chức năng vẽ 2D

a Vẽ đoạn thẳng (Line)

Create > Line > Endpoints hoặc nhấp chọn biểu tượng

Tạo một đường thẳng bằng các lựa chọn tiếp theo (đường thẳng theo tọa độ, đường thẳng theo độ dài và góc, đường liên kết, đường thẳng đứng, đường nằm ngang, đường tiếp xúc với các đối tượng)

Trong menu này còn có các lựa chọn tiếp theo Chúng được mô tả ngắn gọn trong các mục sau đây