Tổng hợp các kiến thức về CAD-CAM - Chương 1

Thiết kế và chế tạo có sự tham gia của máy vi tính (CAD/CAM hay CAO/FAO) thường được trình bày gắn liền với nhau. Thật vậy, hai lĩnh vực ứng dụng tin học trong ngành cơ khí chế tạo này có nhiều đi

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CAD/CAM

1.1 VAI TRÒ VÀ CHỨC NĂNG CỦA CAD/CAM TRONG NỀN SX HIỆN ĐẠI

1.1.1 Giới thiệu về CAD/CAM hay CAO/FAO

Thiết kế và chế tạo có sự tham gia của máy vi tính (CAD/CAM hay CAO/FAO) thường được trình bày gắn liền với nhau Thật vậy, hai lĩnh vực ứng dụng tin học trong ngành cơ khí chế tạo này có nhiều điểm giống nhau bởi chúng đều dựa trên cùng các chi tiết cơ khí và sử dụng dữ liệu tin học chung: đó

là các nguồn đồ thị hiển thị và dữ liệu quản lý

Thực tế, CAD và CAM tương ứng với các hoạt động của hai quá trình hỗ trợ cho phép biến một ý tưởng trừu tượng thành một vật thể thật Hai quá trình

này thể hiện rõ trong công việc nghiên cứu (bureau d’étude) và triển khai chế

tạo (bureau des méthodes)

Xuất phát từ nhu cầu cho trước, việc nghiên cứu đảm nhận thiết kế một

mô hình mẫu cho đến khi thể hiện trên bản vẽ biễu diễn chi tiết Từ bản vẽ chi

tiết, việc triển khai chế tạo đảm nhận lập ra quá trình chế tạo các chi tiết cùng

các vấn đề liên quan đến dụng cụ và phương pháp thực hiện

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

* Kết quả của CAD là một bản vẽ xác định, một sự biểu diễn nhiều hình chiếu khác nhau của một chi tiết cơ khí với các đặc trưng hình học và chức năng Các phần mềm CAD là các dụng cụ tin học đặc thù cho việc nghiên cứu và được

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

* Kết quả của CAM là cụ thể, đó là chi tiết cơ khí Trong CAM không truyền đạt một sự biểu diễn của thực thể mà thực hiện một cách cụ thể công việc Việc chế tạo bao gồm các vấn đề liên quan đến vật thể, cắt gọt vật liệu, công suất của trang thiết bị, các điều kiện sản xuất khác nhau có giá thành nhỏ nhất, với việc tối ưu hoá đồ gá và dụng cụ cắt nhằm đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của chi tiết

cơ khí

Nhằm khai thác các công cụ hữu ích, những ứng dụng tin học trong chế tạo không chỉ hạn chế trong các phần mềm đồ hoạ hiển thị và quản lý mà còn sử dụng việc lập trình và điều khiển các máy công cụ điều khiển số, do vậy đòi hỏi khi thực hiện phải nắm vững các kiến thức về kỹ thuật gia công

Trong chế tạo, việc sử dụng các dữ liệu tin học phải lưu ý đến nhiều mối quan hệ ràng buộc Các ràng buộc này nhiều hơn trong thiết kế Việc cắt gọt vật liệu trên một máy công cụ điều khiển số hay một máy công cụ vạn năng thông thường là như nhau, trong hai trường hợp vật liệu không thay đổi về tính chất

Trong khi đó các dữ liệu tin học có trong môi trường công nghiệp cũng có trong các xưởng gia công Các nguồn dữ liệu này cải thiện kỹ thuật chế tạo, chuyển đổi phương pháp và dẫn đến thay đổi quan trọng trong các công việc hoàn thành khi lập qui trình công nghệ cũng như trên vị trí làm việc Ngoài công việc cho phép điều khiển số các nguyên công gia công, việc thiết lập các dữ liệu tin học mang lại nhiều sự cải thiện về kết cấu liên quan đến cấu trúc máy và đồ

gá, các phương pháp chế tạo và kiểm tra sản phẩm, thiết kế dụng cụ cắt và các

cơ cấu tự động khác Mặt khác, các ứng dụng tin học này cũng cho phép khai thác tốt hơn các khả năng mới của máy và dụng cụ

Ngày nay việc chuyển biến từ một ý tưởng trừu tượng thành một sản phẩm thực tế có thể theo một quá trình hoàn toàn được chi phối bởi máy tính điện tử, như sơ đồ hình 1.1 đã chỉ rõ

BUREAUTIQUE

ET COMMUNICATION

CONCEPTION, MODELISATION, ANALYSE ET INGENIERIE ASSISTE PAR ORDINATEUR (CAO - IAO)

DESSIN ASSISTE PAR ORDINATEUR (DAO)

PROCEDES, SIMULATION, PROGRAMMATION

MOCN MOCN AUTOMAT ROBOT

CAO

FAO

CONTRÔLE DE QUALITÉ

INVENTAIRE ET MANUTENTION

FABRICATION

INTEGREE

SUR

ORDINATEUR

(FIO)

ADMINISTRATION

ET GESTION

BUREAU D’ETUDE

BUREAU

DE METHODES

ADMINISTRATION ET GESTION

Hình 1.1 - Sơ đồ CAO - FAO - FIO

Ta phân biệt hai loại dụng cụ tin học trong nghiên cứu thiết kế:

- Các phần mềm vẽ có sự tham gia của máy tính điện tử

(Dessin Assisté par Ordinateur-DAO hay Computer Aided Drawing - CAD)

- Các phần mềm thiết kế có sự tham gia của máy tính điện tử

(Conception Assistée par Ordinateur-CAO hay Computer Aided Design-CAD)

Trong tiếng Anh ta sử dụng từ CAD chung cho cả hai phần mềm này

Trong triển khai chế tạo ra sản phẩm từ bản vẽ thiết kế, ngày nay có các phần mềm ứng dụng đó là các phần mềm chế tạo có sự tham gia của máy tính điện tử

( Fabrication Assistée par Ordinateur - FAO hay Computer Aided Manufacturing - CAM)

Khi sự tích hợp trên máy tính điện tử cho các hoạt động thiết kế và chế tạo được thực hiện, tức là khi việc thực hiện có thể trực tiếp dựa vào các dữ liệu

số được tạo ra bởi việc thiết kế, tập hợp các hoạt động đặc trưng của CAD/CAM được mô tả dưới khái niệm chế tạo được tích hợp bởi máy tính điện tử

( Fabrication Intégrée par Ordinateur - FIO hay Computer integrated Manufacturing - CIM)

Do vậy CIM biểu diễn các hoạt động tương ứng với thiết kế, vẽ, chế tạo

và kiểm tra chất lượng của một sản phẩm cơ khí

1.1.2 Đối tượng phục vụ của CAD/CAM

Xu thế phát triển chung của các ngành công nghiệp chế tạo theo công nghệ tiên tiến là liên kết các thành phần của qui trình sản xuất trong một hệ thống tích hợp điều khiển bởi máy tính điện tử (Computer Integrated Manufacturing - CIM)

Các thành phần của hệ thống CIM được quản lý và điều hành dựa trên cơ

sở dữ liệu trung tâm với thành phần quan trọng là các dữ liệu từ quá trình CAD

Kết quả của quá trình CAD không chỉ là cơ sở dữ liệu để thực hiện phân tích kỹ thuật, lập qui trình chế tạo, gia công điều khiển số mà chính là dữ liệu điều khiển thiết bị sản xuất điều khiển số như các loại máy công cụ, người máy, tay máy công nghiệp và các thiết bị phụ trợ khác

Công việc chuẩn bị sản xuất có vai trò quan trọng trong việc hình thành bất kỳ một sản phẩm cơ khí nào

Công việc này bao gồm:

- Chuẩn bị thiết kế ( thiết kế kết cấu sản phẩm, các bản vẽ lắp chung

của sản phẩm, các cụm máy.v.v )

- Chuẩn bị công nghệ (đảm bảo tính năng công nghệ của kết cấu,

thiết lập qui trình công nghệ)

- Thiết kế và chế tạo các trang bị công nghệ và dụng cụ phụ v.v

- Kế hoạch hoá quá trình sản xuất và chế tạo sản phẩm trong thời

gian yêu cầu

Hiện nay, qua phân tích tình hình thiết kế ta thấy rằng 90% thời lượng thiết kế là để tra cứu số liệu cần thiết mà chỉ có 10% thời gian dành cho lao động sáng tạo và quyết định phương án, do vậy các công việc trên có thể thực hiện bằng máy tính điện tử để vừa tiết kiệm thời gian vừa đảm bảo độ chính xác và chất lượng

CAD/CAM là lĩnh vực nghiên cứu nhằm tạo ra các hệ thống tự động thiết

kế và chế tạo trong đó máy tính điện tử được sử dụng để thực hiện một số chức năng nhất định

CAD/CAM tạo ra mối quan hệ mật thiết giữa hai dạng hoạt động: Thiết

kế và Chế tạo

Tự động hoá thiết kế là dùng các hệ thống và phương tiện tính toán giúp

người kỹ sư thiết kế, mô phỏng, phân tích và tối ưu hoá các giải pháp thiết kế

Tự động hoá chế tạo là dùng máy tính điện tử để kế hoạch hoá, điều

khiển và kiểm tra các nguyên công gia công

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

Khái niệm

SP mới

Vẽ

chi tiết

Lập biểu đồ SX

Sản xuất sản phẩm

Kiểm tra chất lượng

Nhu cầu

thị trường

Thiết kế

sản phẩm

Nhu cầu

TTB mới

Kế hoạch hoá

QTSX

Hình 1.2- Sơ đồ chu kỳ sản xuất

Rõ ràng rằng CAD/CAM chi phối hầu hết các dạng hoạt động và chức năng của chu kỳ sản xuất Ở các nhà máy hiện đại, trong công đoạn thiết kế và chế tạo, kỹ thuật tính toán ngày càng phát huy tác dụng và là nhu cầu không thể thiếu được

1.1.4 Chức năng của CAD

Khác biệt cơ bản với qui trình thiết kế theo công nghệ truyền thống, CAD

cho phép quản lý đối tượng thiết kế dưới dạng mô hình hình học số trong cơ sở

dữ liệu trung tâm, do vậy CAD có khả năng hỗ trợ các chức năng kỹ thuật ngay

từ giai đoạn phát triển sản phẩm cho đến giai đoạn cuối của quá trình sản xuất,

tức là hỗ trợ điều khiển các thiết bị sản xuất bằng điều khiển số

Hệ thống CAD được đánh giá có đủ khả năng để thực hiện chức năng yêu cầu hay không, phụ thuộc chủ yếu vào chức năng xử lý của các phần mềm thiết

kế Ngày nay những bộ phần mềm CAD/CAM chuyên nghiệp phục vụ thiết kế

và gia công khuôn mẫu có khả năng thực hiện được các chức năng cơ bản sau:

TĐH thiết kế

Vẽ bằng MTĐT

Nhu cầu TTB mới

Nhu cầu

thị trường

Vẽ chi tiết Thiết kế

SP

Khái niệm

SP mới

Sản xuất sản phẩm

Kiểm tra chất lượng

TĐH KHH QTSX

KHH QTSX

TB ĐK bằng MTĐT

TĐH KTCL

Lập biểu đồ

SX

Vẽ BĐ, lập nhu cầu NVL KT

Hình 1.3 - Sơ đồ chu kỳ sản xuất khi dùng CAD/CAM

- Thiết kế mô phỏng hình học 3 chiều (3D) những hình dạng phức tạp

- Giao tiếp với các thiết bị đo, quét toạ độ 3D thực hiện nhanh chóng các chức năng mô phỏng hình học từ dữ liệu số

- Phân tích và liên kết dữ liệu: tạo mặt phân khuôn, tách khuôn, quản lý kết cấu lắp ghép

- Tạo bản vẽ và ghi kích thước tự động: có khả năng liên kết các bản vẽ 2D với mô hình 3D và ngược lại

- Liên kết với các chương trình tính toán thực hiện các chức năng phân tích kỹ thuật: tính biến dạng khuôn, mô phỏng dòng chảy vật liệu, trường áp suất, trường nhiệt độ, độ co rút vật liệu,

- Nội suy hình học, biên dịch các kiểu đường chạy dao chính xác cho công nghệ gia công điều khiển số

- Giao tiếp dữ liệu theo các định dạng đồ hoạ chuẩn

- Xuất dữ liệu đồ hoạ 3D dưới dạng tập tin STL để giao tiếp với các thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ tạo hình lập thể

Những ứng dụng của CAD trong ngành chế tạo máy:

• Tạo mẫu nhanh thông qua giao tiếp dữ liệu với thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ tạo hình lập thể (đo quét toạ độ)

• Giảm đáng kể thời gian mô phỏng hình học bằng cách tạo mô hình hình học theo cấu trúc mặt cong từ dữ liệu số

• Chức năng mô phỏng hình học mạnh, có khả năng mô tả những hình dáng phức tạp nhất

• Khả năng mô hình hoá cao cho các phương pháp phân tích, cho phép lựa chọn giải pháp kỹ thuật tối ưu

1.2 THIẾT KẾ VÀ GIA CÔNG TẠO HÌNH

Theo lịch sử hình thành và phát triển ta có thể phân biệt công nghệ thiết kế và gia công tạo hình như sau:

- Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống

- Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ CAD/CAM

- Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ tích hợp CIM

1.2.1 Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống

Trong công nghệ truyền thống, các mặt cong 3D phức tạp được gia công trên máy vạn năng theo phương pháp chép hình sử dụng mẫu hoặc dưỡng Do vậy qui trình thiết kế và gia công bao gồm có 4 giai đoan phân biệt (Hình 1.4):

1 Tạo mẫu sản phẩm,

2 Lập bản vẽ kỹ thuật,

3 Tạo mẫu chép hình,

4 Gia công chép hình

Qui trình này có những hạn chế:

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

- Dễ dàng làm sai do nhầm lẫn hay hiểu sai vì phải xử lý một số lớn dữ liệu,

- Năng suất thấp do mẫu được thiết kế theo phương pháp thủ công và qui trình được thực hiện tuần tự: tạo mẫu sản phẩm - lập bản vẽ chi tiết

- tạo mẫu chép hình - phay chép hình

1.2.2 Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ CAD/CAM

Sự phát triển của phương pháp mô hình hoá hình học cùng với thanh tựu của công nghệ thông tin, công nghệ điện tử, kỹ thuật điều khiển số đã có những ảnh hưởng trực tiếp đến công nghệ thiết kế và gia công tạo hình (Hình 1.5):

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

- Tạo mẫu thủ công được thay thế bằng mô hình hoá hình học trực tiếp

từ giá trị lấy mẫu 3D

- Mẫu chép hình được thay thế bằng mô hình toán học - mô hình hình học lưu trữ trong bộ nhớ máy vi tính và ánh xạ trên màn hình dưới dạng mô hình khung lưới

- Gia công chép hình được thay thế bằng gia công điều khiển số (CAM)

Về công nghệ, khác biệt cơ bản giữa gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống và công nghệ CAD/CAM là thay thế tạo hình theo mẫu bằng mô hình hoá hình học

Ý TƯỞNG

VẼ & THIẾT KẾ

BẢN VẼ KỸ THUẬT

TẠO MẪU CHÉP HÌNH

GIA CÔNG CHÉP HÌNH

MẪU CHÉP HÌNH

MẪU SẢN PHẨM

Hình 1.4 - Qui trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống

Hiệu chỉnh

Lấy mẫu

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

1.2.3 Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ tích hợp (CIM)

Từ công nghệ CAD/CAM ta dễ dàng thực hiện ý tưởng liên kết mọi thành phần trong một hệ thống tích hợp (Hình 1.6) Theo công nghệ tích hợp, công việc mô hình hoá hình học - vẽ - tạo bản vẽ được tích hợp trong CAD; kết quả mọi thông tin về hình dáng được lưu lại dưới dạng CGM, lưu trữ trong cơ sở dữ liệu trung tâm Công nghệ tiên tiến nhất có khả năng hỗ trợ thực hiện toàn bộ qui trình thiết kế và chế tạo theo công nghệ tích hợp:

• Cho phép thiết lập mô hình hình học số CGM trực tiếp từ ý tưởng

về hình dáng

• Được trợ giúp bởi thiết bị đồ hoạ mạnh và công nghệ tô màu, tạo bóng hiện đại

Ý TƯỞNG

VẼ & TẠO BẢN VẼ (CADD)

BẢN VẼ KỸ THUẬT

MÔ HÌNH HOÁ HÌNH HỌC

GIA CÔNG ĐIỀU KHIỂN SỐ

(CAM)

MÔ HÌNH HÌNH HỌC SỐ (CGM)

MẪU SẢN PHẨM

Hình 1.5 - Qui trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ CAD/CAM

Lấy mẫu, số hoá

Hiệu chỉnh

• Có khả năng thực hiện các chức năng phân tích kỹ thuật; liên kết với các thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ tạo hình lập thể; lập trình chế tạo; điều khiển quá trình gia công điều khiển số; lập qui trình lắp ráp; tạo phôi,

1.3 MÔ HÌNH HOÁ HÌNH HỌC

Mô hình hoá hình học là mô tả đối tượng hình học bởi

mô hình toán học - mô hình hình học số

Khái niệm mô hình hình học được sử dụng cho thực thể hình học có thể mô tả được, đó là những thực thể hình học cơ sở, được sử dụng trên bản vẽ

kỹ thuật hay trên màn hình, đó là:

- Điểm,

- Đường cong, bao gồm cả đoạn thẳng,

- Mặt cong, bao gồm cả mặt phẳng,

- Khối (cấu trúc đặc)

Mô hình hình học được diễn giải bởi con người nhưng hình thức mô tả

chúng phải thích hợp, rõ ràng sao cho có thể chuyển đổi thành mô hình hình học số duy nhất Tức là yêu cầu mô hình hình học phải được mô tả bởi các giá

trị số chính xác:

BẢN VẼ

KỸ THUẬT

Ý TƯỞNG

CAD

CAPP

Computer Aided Process Planning

MÔ HÌNH HÌNH HỌC SỐ (CGM)

MÔ HÌNH

FEM

MÀN HÌNH

ĐỒ HOẠ

MẪU SẢN PHẨM

CAM

Hình 1 6 - Qui trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghê tích hợp

- Điểm có thể mô tả bởi giá trị toạ độ,

- Đường cong có thể được mô tả bởi chuỗi điểm hoặc phương trình,

- Mặt cong có thể được mô tả bởi tập hợp điểm hoặc lưới đường cong,

hoặc phương trình,

- Khối có thể được định nghĩa bởi các mặt cong bao quanh nó

1.3.1 Phương pháp mô tả đường cong

1 Đường cong 2D được mô tả bởi 2 phương pháp:

a Sử dụng các đường cong 2D cơ sở

b Như là chuỗi điểm trên mặt phẳng

2 Đường cong 3D được mô tả bởi một trong các cách sau:

a Chuỗi điểm 3D

b Giao tuyến giữa 2 mặt cong

c Hình chiếu của đường cong 2D lên mặt cong 3D

d Tập đường cong 2D trên các mặt phẳng hình chiếu trục đo

3 Phương pháp đơn giản mô tả đường cong 2D

Người ta sử dụng họ đường cong bậc hai conic, bao gồm: đoạn thẳng, đường tròn, đường êlip, đường Parabol, đường Hyperbol Chúng được xác định

rõ ràng bởi thông số của chúng như: toạ độ tâm, bán kính, tiêu điểm

Ta có thể gọi họ đường cong conic là đường cong cơ sở tạo nên đường cong đa hợp bằng cách nối kết liên tục theo chuỗi, có thể sử dụng góc lượn tại vị trí yêu cầu để đạt độ trơn láng

4 Phương pháp phổ biến nhất để mô tả đường cong tự do 2D và 3D

Đây là phương pháp xác định chuỗi điểm đường cong đi qua, phương pháp gián tiếp để mô tả đường cong 3D là xác định giao tuyến giữa 2 mặt cong Trong trường hợp này ta không thể xác định đường cong một cách chính xác Phương pháp phổ biến xác định dường cong 3D trong vẽ kỹ thuật là xác định hình chiếu 2D của chúng, sau đó xác định hình chiếu trên mặt cong, đây chính là phép chiếu ngược

1.3.2 Phương pháp mô tả mặt cong

Ta không thể vẽ mặt cong hình học, nhưng có thể mô tả chúng trên bản vẽ dưới dạng mô hình:

- Mặt hình học cơ sở,

- Mặt nội suy lưới đường cong,

- Mặt quét hình đường mặt cắt,

- Mặt nội suy điểm,

- Mặt kết nối hình

Tương ứng đó là:

• Sử dụng các mặt cong cơ sở

• Mô tả mặt cong bởi mô hình lưới đường cong