Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ CADCAM CNC vào việc thiết kế và gia công các bề mặt phức tạp

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

LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Thị Phương Ngoan

Sinh ngày 08 tháng 04 năm 1986

Học viên cao học chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Khóa 2011 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Tôi xin cam đoan:

Đề tài: “Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CNC vào việc thiết kế

và gia công các bề mặt phức tạp” do TS Trương Hoành Sơn hướng dẫn là công

trình của riêng tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2012

Tác giả

Nguyễn Thị Phương Ngoan

MỤC LỤC

Lời cam đoan 1

Mục lục 2

Danh mục các hình vẽ 4

MỞ ĐẦU 7

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU 9

1.1 Tổng quan về các nghiên cứu 9

1.1.1 Tổng quan về CNC 9

1.1.2 Tổng quan về CAD/CAM 12

1.2 Giới hạn nghiên cứu của đề tài 19

1.3 Kết luận chương I 20

Chương 2 - CÔNG NGHỆ CAD TRONG VIỆC THIẾT KẾ CÁC BỀ MẶT PHỨC TẠP 21

2.1 Thế nào là bề mặt phức tạp 21

2.2 Quá trình thiết kế và gia công các bề mặt phức tạp theo công nghệ truyền thống 22

2.3 Quá trình thiết kế và gia công các bề mặt phức tạp có sử dụng các phần mềm CAD/CAM/CNC 23

2.4 Phần mềm Pro/Engineer 24

2.4.1 Giới thiệu chung 24

2.4.2 Các khái niệm trong Pro/Engineer 33

2.4.3 Liên kết tham số và mục đích thiết kế 34

2.2.4 Chưc năng trợ giúp sản xuất CAM cua Pro/Engineer 38

2.5 Kết luận chương II 39

Chương 3 - ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PRO/ENGINEER ĐỂ THIẾT KẾ VÀ GIA CÔNG BỀ MẶT PHỨC TẠP 41

3.1 Các bước thiết kế 41

3.2 Tách khuôn sản phẩm 48

3.3 Ứng dụng EMX để thiết kế khuôn mẫu 54

3.3.1 Giới thiệu về phần mềm EMX 54

3.3.2 Trình tự thiết kế một bộ khuôn sử dụng EMX 54

3.4 Ứng dụng phần mềm Pro/Engineer lập chương trình gia công 58

3.4.1 Tạo mô hình chi tiết gia công từ môi trường part 58

3.4.2 Tạo môi trường làm việc của quá trình gia công 58

3.4.3 Chọn gốc tọa độ gia công cho máy, mặt phẳng an toàn 59

3.4.4 Thực hiện chương trình gia công 60

3.5 Tổng kết chương III 68

Chương 4 - KẾT QUẢ GIA CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHUNG VỀ SẢN PHẨM 69

4.1 Gia công sản phẩm trên máy CNC 69

4.1.1 Máy gia công 69

4.1.2 Một số thông số chính về công nghệ và dao cụ 70

4.1.3 Cạo sửa, đánh bóng lõi khuôn 72

4.1.4 Sản phẩm 72

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 74

4.3 Kết luận chương IV 74

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Quá trình hình thành và phát triển của CNC và CAD/CAM/CAE 14

Hình 1.2 Liên kết giữ liệu giữa CAD và CAM 15

Hình 1.3.Mối quan hệ CAD/CAM 16

Hình 2.1 Qui trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống 22

Hình 2.2 Qui trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ CAD/CAM/CNC .24

Hình 2.3 Giao diện chính của phần mềm Pro/Engineer 25

Hình 2.4 Môđun Pro/Detail của phần mềm Pro/Engineer 26

Hình 2.5 Môđun Pro/Sheetmetal của phần mềm Pro/Engineer 27

Hình 2.6 Môđun Pro/Assembly của phần mềm Pro/Engineer 27

Hình 2.7 Môđun Pro/Surface của phần mềm Pro/Engineer 28

Hình 2.8 Môđun Pro/Manufacturing của phần mềm Pro/Engineer 28

Hình 2.9 Môđun Pro/Mesh của phần mềm Pro/Engineer 29

Hình 2.10 Môđun Pro/Mechanica của phần mềm Pro/Engineer 30

Hình 2.11 Môđun Pro/Draft của phần mềm Pro/Engineer 31

Hình 2.12 Môđun Pro/Mold của phần mềm Pro/Engineer 31

Hình 2.13 Thiết kế hướng đối tượng trong Pro/Engineer 33

Hình 3.1 Muôi nhựa 41

Hình 3.2 Tạo file mới và đặt tên bản vẽ 41

Hình 3.3 Kích thước đường sinh muôi nhựa 42

Hình 3.4 Tạo điểm trên đường sinh muôi nhựa 42

Hình 3.5 Đường sinh muôi nhựa 42

Hình 3.6 Tạo bề mặt cho muôi nhựa 43

Hình 3.7 Vẽ biên dạng cong của muôi nhựa 43

Hình 3.8 bề mặt của muôi nhựa 44

Hình 3.9 Biên dạng của muôi nhựa 44

Hình 3.10 Bề mặt cần chiếu biên dạng 45

Hình 3.11 Trim phần thừa của muôi 45

Hình 3.12 Tạo bề dày cho muôi 46

Hình 3.13 Bo tròn 2 mép trong và mép ngoài 46

Hình 3.14 Tạo biên dạng mới phần đuôi của muôi 47

Hình 3.15 Bán kính cong phần đuôi của muôi 47

Hình 3.16 Vê tròn các cạnh phần đuôi của muôi 48

Hình 3.17 Tạo file mới để tách khuôn muôi nhựa 48

Hình 3.18 Lấy chi tiết cần tách khuôn 49

Hình 3.19 Chọn gốc của chi tiết 49

Hình 3.20 Tạo phôi tự động 49

Hình 3.21 Thiết lập đường phân khuôn cho chi tiết 50

Hình 3.22 Quét lại mặt phân khuôn 50

Hinh 3.23 Mặt phân khuôn của chi tiết 51

Hình 3.24 Thiết lập tạo 2 nửa khuôn 51

Hình 3.25 Thiết lập các khối đặc 51

Hình 3.26 Khuôn muôi nhựa 52

Hình 3.27 Tách khuôn hoàn ch nh muôi nhựa 53

Hình 3.28 Xuất bản vẽ 2D để kiểm tra lại 53

Hình 3.29 Trình tự các bước tạo các tấm khuôn 54

Hình 3.30 Giao diện làm việc của EMX 55

Hình 3.31 Thiết lập tạo tấm kẹp sau 55

Hình 3.32 Thiết lập môi trường làm việc của quá trình gia công 58

Hình 3.33 Chi tiết gia công trong môi trường làm việc 58

Hình 3.34 Chọn phôi cho chi tiết gia công 59

Hình 3.35 Chọn máy gia công 59

Hình 3.36 Thiết lập chế độ phay thô lòng khuôn trên 60

Hình 3.37 Nhập thông số dụng cụ cắt 60

Hình 3.38 Nhập thông số chế độ cắt 61

Hình 3.39 Vùng biên dạng cần gia công 61

Hình 3.41 Thiết lập chế độ phay bán tinh bề mặt khuôn 62

Hình 3.42 Nhập thông số dao 62

Hình 3.43 Nhập chế độ cắt 63

Hình 3.44 Phay bán tinh bề mặt khuôn 63

Hình 3.45 Nhập thông số dao 63

Hình 3.46 Nhập chế độ cắt 64

Hình 3.47 Phay tinh lòng khuôn trên 64

Hình 3.48 Thiết lập chế độ khoan lỗ 64

Hình 3.49 Khoan lỗ 65

Hình 3.50 Thiết lập liên kết các nguyên công 65

Hình 3.51 Mô phỏng đường chạy dao 66

Hình 4.1 Máy phay DMU50 69

Hình 4.2 Dao phay chỏm cầu hợp kim 2VGR với R7 70

Hình 4.3 Dao phay chỏm cầu hợp kim 2VGR với R2 70

Hình 4.4 Mũi doa P18, Ø9 71

Hình 4.5 Mũi khoan thép gió P18, Ø8 71

Hình 4.6 Mũi khoét P18, Ø8.7 71

Hình 4.7 Dao phay ngón hợp kim 4VG, Ø16 72

Hình 4.8 Các loại đá mài 72

Hình 4.9 Sản phẩm Lòng khuôn trên muôi xới cơm sau khi gia công 73

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 ch 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 ch 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 công nghệ CAD/CAM/CNC vào việc thiết kế

và gia công các bề mặt phức tạp” 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 trong việc thiết kế các bề mặt phức tạp

- Chương 3: Ứng dụng phần mềm Pro/Engineer để thiết kế và gia công 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 ch 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 Ch một khác biệt nhỏ trong vận hành sẽ dẫn đến những thay đổi trong

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 t 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 hình trong cánh quạt và cánh máy bay Sử dụng một đầu đọc thẻ máy tính và các bộ 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 ch 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

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

ý tưởng triển khai một phương pháp thuận tiện để thông qua máy tính xác định các 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 CIMCAM

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

kế bao gồm toàn bộ các hoạt động liên quan đến các dữ liệu kỹ thuật như bản vẽ,

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 ch 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

ở chỗ chất lượng công việc được nâng cao, thông tin tiện dụng, điều khiển tốt hơn v.v Một số ưu điểm chính của hệ tích hợp CAD/CAM:

a, Nâng cao năng suất thiết kế

Tài liệu thiết kế

Thiết kế sản phâm

Phân tích tính toán

Mô hình hình học

Các tiêu chuẩn sx

Máy CNC

Sản phẩm

Robot &

thiết bị vc

Kiểm định chất lượng Thị

trường

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 t m 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 ch 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 ch 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

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 trình NC

- 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 trong 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 ch nh cần thiết Khi điều ch nh thì các chi tiết liên quan sẽ tự động cập nhật điều ch nh 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 xót 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 TRONG VIỆC THIẾT KẾ 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

đ nh và danh sách từng mặt với các đ nh 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:

Lấy mẫu

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

- Khó đạt được độ chính xác gia công, chủ yếu do quá trình chép hình

- 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

- 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 Pro/Engineer

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 hiên, có năm ch tiêu cần biết khi chọn phần mềm là:

Lấy mẫu, số hoá

GIA CÔNG TRÊN MÁY CNC

Một trong những phần mềm có được những tính năng trên như Catia, Unigraphics NX, I-deas, Pro/Engineer Wildfire….Đây là bốn phần mềm được đánh 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 Pro/Engineer phục vụ rất tốt cho ngành cơ khí khuôn mẫu ( thiết kế và gia công) như khuôn dập, khuôn rèn, khuôn nhựa… Pro/E có một lợi thế là giá rẻ nên đã chiếm lĩnh các thị trường hạng trung và cao

Hiện nay, số người sử dụng Pro/E trên thế giới rất nhiều, kể cả Việt Nam (chiếm trên 75%) nên chúng ta sẽ có cơ hội học hỏi, trao đổi lẫn nhau những vấn đề liên quan đến CAD/CAM với thế giới bên ngoài Do vậy, việc chọn học Pro/E là một hướng đi tốt cho chúng ta trước khi vào nghề và cũng là cách duy nhất để chúng ta nắm bắt, đuổi kịp trình độ công nghệ của thế giới

Pro/E là phần mềm của hãng Prametric Technology, Corp Một phần mềm thiết kế theo tham số, có nhiều tính năng rất mạnh trong lĩnh vực CAD/CAM/CAE,

nó mang lại cho chúng ta các khả năng như:

- Mô hình hóa trực tiếp vật thể rắn

- Tạo các môdun bằng các khái niệm và phần tử thiết kế

- Thiết kế thông số

- Sử dụng cơ sở dữ liệu thống nhất

- Có khả năng mô phỏng động học, động lực học kết cấu cơ khí

Phần mềm Pro/Engineer có các môđun sau:

Pro/DETAIL: môđun tạo trực tiếp mô hình 3D của các bản vẽ thiết kế chuẩn cho

phân xưởng và chế tạo trong đó đảm bảo liên kết 2 phía giữa các bản vẽ và môđun 3D

Hình 2.4 Môđun Pro/Detail của phần mềm Pro/Engineer

Pro/SHEETMETAL: môdun hỗ trợ thiết kế những chi tiết có dạng tấm, vỏ, và hỗ

trợ cho việc tạo lập các chi tiết phát triển kể cả chuẩn bị cho chương trình NC cho

Hình 2.5 Môđun Pro/Sheetmetal của phần mềm Pro/Engineer

Pro/ASSEMBLY: tạo điều kiện thiết lập dễ dàng chi tiết vào hệ thống và dưới hệ

thống Nó hỗ trợ cho phần lắp ráp và lắp ráp nhóm, giải quyết tình huống xung đột, thiết kế thay đổi…

Hình 2.6 Môđun Pro/Assembly của phần mềm Pro/Engineer

Pro/SURFACE: modun hỗ trợ vẽ, tạo các mặt tự do( Free Form), xử lý các mặt

cong và bề mặt phức tạp

Hình 2.7 Môđun Pro/Surface của phần mềm Pro/Engineer

Pro/MANUFACTURING: bao gồm dữ liệu NC, mô phỏng, format dƣ liệu CL, thƣ

viện các phần tử

Hình 2.8 Môđun Pro/Manufacturing của phần mềm Pro/Engineer

Pro/MESH: hỗ trơ tái tạo mạnng lưới cho việc phân tích phần tử hữu hạn (FEA),

xác định điều kiện biên, gắn liền với ANSYS, PATRAN, NASTRAN, ABAQUS, SUPERTAB và COSMOS/M

Hình 2.9 Môđun Pro/Mesh của phần mềm Pro/Engineer

Pro/MECHANICA: Đây là một modul CAE đa chức năng, cho phép mô phỏng các

ứng xử cơ học của mô hình, giúp tối ưu hoá mô hình thiết kế Nhờ Pro/Mechanica

ta có thể khảo sát được ứng suất, biến dạng, chuyển vị… như khi mô hình làm việc Pro/Mechanica có 3 phần chính sau:

- Structure: khảo sát đặc trưng cơ học kết cấu như ứng suất, biến dạng, độ bền mỏi

- Thermal: khảo sát các đặc trưng về nhiệt của kết cấu như truyền nhiệt, tải nhiệt,

trường nhiệt độ

- Motion: Khảo sát đặc trưng động học, động lực học của cơ cấu như chuyển vị, vận

tốc, gia tốc, lực và mô men

Hình 2.10 Môđun Pro/Mechanica của phần mềm Pro/Engineer

Pro/INTERFACE: tạo điều kiện gắn với các hệ CAD khác như: iges, dxf, vdafs,

render, SLA…

Pro/PROJECT: xác định để điều khiển dự án thiết kế và tổ hợp một số đội thiết kế

và lập dư án

Pro/FEATURE: Mở rộng khả năng thiết lập những phần tử thiết kế bằng thư viện

của các bộ phận, nhóm, tái tạo các hình dạng chuẩn và dưới nhóm

Pro/DRAFT: Môdun hỗ trợ biểu diễn 2D, tạo điều khiện đọc bản vẽ của các hệ

CAD khác và bổ sung môdun 3D về thiết kế thông số

Hình 2.11 Môđun Pro/Draft của phần mềm Pro/Engineer

Pro/MOLD: Module thiết kế khuôn

Hình 2.12 Môđun Pro/Mold của phần mềm Pro/Engineer

Pro/DESIGN: Hỗ trợ thành lập mô hình 3D, sơ đồ khối, xây dựng kế hoạch thiết kế

và mối quan hệ phụ thuộc, giúp cho sự phân tích nhanh và hiệu quả và sắp xếp phương án

Pro/LIBRARY: Modun chứa thư viện rộng lớn của các phần tử trên chuẩn ( chi tiết,

phần tử thiết kế tiêu chuẩn, dụng cụ, khớp nối…), có thể bổ sung hoặc hiệu ch nh

Pro/VIEW: Môdun tạo điều kiện kiểm tra mô hình hóa chi tiết và hệ thống từ một

hướng quan sát bất kì, phóng độn, ảo ảnh Sử dụng để có cái nhìn nhanh tổng thể để đạt được kết quả hoặc mục đích phòng ngừa

Pro/DEVELOP (Pro/PROGRAM): môdun hỗ trợ việc lập trình ứng dụng riêng

Chứa các thư viện của hàm số C, thư viện chương trình con củ ngôn ngữ lập trình FORTRAN và đặc biệt tiếp cận được với cấu trúc thiết lập các hệ thống và cấu trúc

dữ liệu của hệ thống Ngoài ra, Pro/E còn có Pro/CASTING, Pro/LEGACY, Pro/TOOLKIT, Pro/PiPe…

Như vậy, Pro/Engineer là một phần mềm thiết kế mạnh theo cách tiếp cận thiết kế tham số (Parametric Design) Với công nghệ này, người thiết kế không phải

vẽ chính xác ngay từ đầu, người thiết kế bắt đầu từ một phác thảo (Sketcher) sau đó mới chính xác hóa bằng cách gắn các kích thước chính xác và các liên kết hình học cho đối tượng Người thiết kế cũng có thể gán các mối quan hệ kích thước để mỗi khi thay đổi một kích thước thì các kích thước liên quan cũng thay đổi theo 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, ch nh 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

- Pro/Engineer là một phần mềm thiết kế mạnh theo cách tiếp cận thiết kế hướng đối tượng (Feature Based Design) Thay vì phải làm việc trực tiếp với các đối tượng cơ sở như đường thẳng, cung tròn thì thiết kế trong Pro/Engineer làm việc với các Features (Extrude block, Holes, Shell) Các Features tạo nên chi tiết (Parts), các chi tiết lại tạo nên các cụm lắp ráp nhỏ (Sub Assembly), các cụm Sub Assembly

và chi tiết lại tạo nên các cụm lắp ráp lớn Nhờ việc quản lý hướng đối tượng như vậy mà việc thiết kế trên Pro/Engineer trở nên linh hoạt và mềm dẻo

- Pro/Engineer là một phần mềm mạnh về thiết kế mô hình đặc (Solids) và

mô hình bề mặt (Surfaces) Pro/Engineer cùng các công cụ để xây dựng các features dạng solids như Extrude block, Extrude cut, Holes, Slots, Thread, Sweep, Draft, Shell…và các công cụ xây dựng các bề mặt phức tạp: Blend…

Hình 2.13 Thiết kế hướng đối tượng trong Pro/Engineer

2.4.2 Các khái niệm trong Pro/Engineer

Để sử dụng Pro/Engineer ta hình dung trong một nhóm các bộ phận của một cụm các chi tiết được lắp ráp với nhau theo các quan hệ thiết kế, cao hơn nữa các bộ phận đó và các quan hệ đó có thể thay đổi được 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

(Shell), khối xoay (Revolve), khối quét (Sweep), quét xoắn (Helical Sweep), quét với tiết diện thay đổi (Variable Section Sweep), bo (Round), tinh ch nh (Tweak), 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

Thiết kế trong Pro/Engineer ta có thể sử dụng các rằng 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 End to End

Pro/Engineer không ch cho phép ta thiết kế những chi tiết riêng lẻ một cách nhanh chóng mà còn có thể lưu trữ những mối quan hệ lắp ráp của chúng và đưa ra những bản vẽ chi tiết Pro/Engineer dễ dàng cho phép ta truy cập, hiệu ch nh kích thước và các liên kết động học đã thành lập tại các giai đoạn thiết kế khác nhau Thậm chí trong giai đoạn tạo bản vẽ (Drawing), kích thước hiện lên trên sơ đồ nhận được từ kích thước mô hình 3D có thể liên kết động tới file nguồn 3D Sự liên kết là 2 chiều, ta có thể hiệu ch nh chi tiết 3D trực tiếp từ bản vẽ chi tiết để làm chính xác các kích thước trong bản vẽ và các thông tin thay đổi này được cập nhật vào trong mô hình 3D, giữa kích thước ở bản vẽ và mô hình 3D luôn luôn đồng bộ

Tư tưởng như vậy gọi là liên kết End to End

b Các chế độ thiết kế cơ bản của Pro/Engineer

Khi ta đưa ra một ý tưởng thiết kế để hoàn thành trong Pro/Engineer, 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

Pro/Engineer 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), Pro/Engineer 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 (.prt) ta tạo các bộ phận riêng biệt, các bộ phận này sẽ lắp vào nhau trong cùng một file lắp ráp (.asm), chế độ Part cho phép ta tạo và hiệu ch nh các Feature: 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), tinh ch nh (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

* Chế độ Drawing (tạo bản vẽ)

Chế độ Drawing của Pro/Engineer cho phép ta tạo ra khâu cuối cùng của thiết

kế, những bản vẽ chi tiết chính xác, trên bản vẽ ghi đầy đủ các thông số kỹ thuật, thông số kích thước…

Một số đói tượng thông tin như các kích thước, dung sai hình học, ghi chú…đã tạo trong mô hình 3D có thể chuyển qua chế độ Drawing Khi những đối tượng chuyển qua từ mô hình 3D, chúng giữ nguyên mối liên kết, có thể hiệu ch nh

để tác động trở lại mô hình 3D từ Drawing

c Thiết kế trong Pro/Engineer

File  Delete để gỡ bỏ các file trên đĩa

File  Delete  Old Versions để xóa toàn bộ thư mục, nhưng không xóa

các phiên bản mới

* Cơ sở thiết kế chi tiết

- 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 ch nh

- 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 ch nh 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

Extrusions có thể định nghĩa một vài phương pháp, nhập chiều sâu khi xây dựng khối và cắt khối, nhập giá trị góc quay quanh trục với phép quay

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

Pro/Engineer có nhiều chức năng trợ giúp sản xuất, được phân chia thành nhiều modul

- Pro/Mold: Trợ giúp thiết kế khuôn nói chung

- Pro/Casting: Trợ giúp thiết kế khuôn và quá trình sản xuất đúc

- Pro/Process: trợ giúp thiết kế quy trình công nghệ gia công

2.4.4 Chức năng trợ giúp sản xuất CAM của Pro/Engineer

Pro/Engineer là gói phần mềm tích hợp nhiều chức năng trợ giúp thiết kế, phân tích kỹ thuật và lập trình cho máy CNC Pro/Engineer được chia nhỏ thành nhiều modul, người sử dụng có thể chọn mua tuỳ theo nhu cầu sử dụng Các chức năng của Pro/Engineer 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

- Pro/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, Pro/NC lại được chia thành các modul nhỏ như: Pro/NC-Mill cho các trung tâm gia công, Pro/NC-Tern cho máy tiện CNC, Pro/NC-Wedm cho máy xung điện, Pro/NC-Advanced dùng cho tất cả các loại máy

kể cả trung tâm phay, tiện

Pro/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