Giáo trình Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính: Phần 1 cung cấp cho người học những kiến thức như: Khái quát về trợ giúp máy tính trong thiết kế cơ khí; Trợ giúp máy tính trong thiết kế các mô hình 3D; Thiết kế các bộ truyền bánh răng. Mời các bạn cùng tham khảo!
KHÁI QUÁT VỀ TRỢ GIÚP MÁY TÍNH
Trợ giúp của máy tính trong xây dựng các mô hình hình học
Sự trợ giúp của máy tính trong thiết kế, đặc biệt là thông qua CAD, đã trở thành công cụ thiết yếu cho kỹ sư trong việc tạo ra và xử lý các mẫu thiết kế Trong hơn 50 năm qua, CAD đã phát triển mạnh mẽ, kết hợp tối ưu giữa phần cứng, phần mềm và người dùng để nâng cao hiệu quả thiết kế và gia công.
Phần mềm CAD/CAM, đặc biệt là trong lĩnh vực CAD, giúp người dùng điều khiển phần cứng để tận dụng các tính năng kỹ thuật của hệ thống cho thiết kế và sản xuất Trong hệ thống CAD, phần mềm hỗ trợ năm tác vụ chính cho người sử dụng.
Chức năng nhập dữ liệu của phần mềm rất quan trọng, vì mỗi phần mềm được phát triển với phương pháp nhập dữ liệu riêng biệt Khả năng tương tác hiệu quả giữa người dùng và máy tính cho thấy phần mềm đó sở hữu các chức năng nhập dữ liệu tốt.
- Chức năng hiệu chỉnh: Bao gồm các chức năng như xóa, thay thế, sửa đổi thuộc tính…;
- Chức năng biến đổi hình ảnh: Bao gồm các chức năng như di chuyển, quay, thu phóng…;
- Chức năng điều khiển màn hình bao gồm các chức năng như: Zoom, Pan, ẩn nét khuất, tô bóng, thay đổi điểm nhìn…;
Chức năng xuất dữ liệu cho phép kết xuất bản vẽ và tài liệu kỹ thuật ra máy in hoặc các thiết bị ngoại vi khác, đồng thời hỗ trợ xuất dữ liệu cho các phần mềm khác.
Các tác vụ chỉ giúp đánh giá hình thức của phần mềm, trong khi yếu tố quan trọng nhất là các thuật toán có được tối ưu hay không và độ tin cậy của kết quả tính toán ra sao Để biểu diễn các vật thể trong máy tính, việc đầu tiên cần thực hiện là xây dựng mô hình toán học.
CAD sử dụng toán học và kỹ thuật đồ họa máy tính để tạo ra các mô hình hình học, biểu diễn các vật thể trong không gian thiết kế.
Các hệ CAD có khả năng biểu diễn các đối tượng đồ họa trong không gian 2D, 2.5D, 3D
Hệ thống biểu diễn 2D gặp nhiều hạn chế, gây ra lỗi trong sản xuất do khả năng quan sát hình ảnh kém và thông tin không đầy đủ Các bản vẽ 2D thường sử dụng nhiều hình chiếu như chiếu đứng, chiếu bằng và chiếu cạnh, khiến bộ phận sản xuất phải tưởng tượng sản phẩm trong không gian thực tế Điều này tạo ra khó khăn trong quá trình chế tạo sản phẩm.
- Biểu diễn 2 ẵ D: Đõy là phương phỏp biểu diễn tốt hơn 2D, cỏc đối tượng biểu diễn được gắn thêm bề dày làm cho việc quan sát trở nên tốt hơn
Biểu diễn 3D là xu hướng chủ yếu trong CAD/CAM, giúp hình ảnh trên màn hình đồ họa gần giống với chi tiết thực, tạo thuận lợi cho thiết kế và chế tạo Các chi tiết 3D được gọi là mô hình hoặc mô hình hóa, bao gồm hai loại: khung dây và khối rắn Mô hình khung dây thể hiện ít thông tin hơn nhưng xử lý nhanh hơn, không yêu cầu cấu hình máy cao Mô hình khối rắn là mô hình thực, chứa thông tin bên trong và bề mặt chi tiết Hai xu hướng nghiên cứu mô hình khối rắn hiện nay đang được phát triển.
Hình học khối rắn cơ bản sử dụng các hình khối như lập phương, trụ, cầu và chóp để xây dựng mô hình Phương pháp này yêu cầu một khối lượng tính toán lớn nhưng lại tiêu tốn ít không gian lưu trữ dữ liệu.
Mô hình biểu diễn đường bao sử dụng tất cả các đường bao để thể hiện chi tiết, cho phép mô tả các bề mặt phức tạp Mặc dù cần một không gian lưu trữ lớn, nhưng mô hình này yêu cầu ít tính toán hơn so với mô hình khối rắn cơ bản.
Xu hướng hiện nay trong phần mềm CAD là kết hợp giữa hai phương pháp biểu diễn mô hình khối rắn và mô hình đường bao, nhằm tận dụng ưu điểm của cả hai Các phần mềm đang phát triển mạnh mẽ theo phương pháp mô hình tham số hóa, cho phép gắn các đặc điểm toán học như tọa độ, độ cong, và các vector tiếp tuyến, pháp tuyến ngay trong quá trình thiết kế.
Trợ giúp của máy tính trong tính toán, thiết kế
Mặc dù nhiều người vẫn nghĩ rằng CAD chỉ đơn thuần là một bản vẽ điện tử, nhưng các chức năng của nó đã mở rộng ra ngoài việc vẽ Hệ thống CAD hiện nay cho phép thực hiện các công việc tính toán và phân tích như phân tích phần tử hữu hạn, tính toán truyền nhiệt, ứng suất, mô phỏng động lực học cơ cấu và động lực học chất lỏng Người dùng có thể làm việc với các mô hình 3D trực quan trên màn hình, dễ dàng gán các thuộc tính vật lý như vật liệu và lực tác dụng lên các chi tiết.
Những ứng dụng của CAD trong tính toán, thiết kế bao gồm:
- Tính toán thiết kế các chi tiết máy, các mối ghép và các bộ truyền;
- Phân tích ứng suất, biến dạng của một kết cấu kim loại;
- Phân tích động học, động lực học một cơ hệ.
Một số phần mềm trong lĩnh vực CAD
Tư duy tốt kết hợp với công cụ phù hợp là yếu tố quan trọng nhất đối với kỹ sư thiết kế Việc lựa chọn phần mềm thích hợp giúp kỹ sư thể hiện ý tưởng một cách trực quan và giải quyết công việc nhanh chóng, từ đó nâng cao hiệu quả thiết kế.
Hiện nay, thiết kế cơ khí bằng máy tính ngày càng trở nên quan trọng trong sản xuất công nghiệp và nghiên cứu khoa học Nhiều phần mềm chuyên dụng đã được phát triển để đáp ứng nhu cầu này, mỗi phần mềm đều có những ưu điểm và hạn chế riêng Do đó, người thiết kế cần biết cách khai thác tối đa những lợi ích của từng phần mềm để đảm bảo quá trình thiết kế diễn ra nhanh chóng, chính xác và hiệu quả nhất.
Qua quá trình tìm hiểu trong sản xuất thực tiễn và chia sẻ của nhiều kỹ sư trong lĩnh vực thiết kế, chung quy có 4 nhóm phần mềm chính:
1.4.1 Phần mềm 2D Đây là nhóm phần mềm chuyên thiết kế mô hình khung dây, bản vẽ dạng 2D sketch, Có nhiều phần mềm thuộc nhóm này, có thể kể đến như: AutoCAD, ProgeCAD… a Phần mềm AutoCAD
AutoCAD là phần mềm ứng dụng thương mại phổ biến trên toàn cầu, chủ yếu chạy trên hệ điều hành Windows Được phát triển từ năm 1982, AutoCAD hỗ trợ kỹ sư, kiến trúc sư và chuyên viên thiết kế trong việc tạo ra các bản vẽ 2D và mô hình 3D Hiện nay, phần mềm này đã có mặt trên hầu hết các hệ điều hành.
AutoCAD được phát triển ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực phổ biến như: cơ khí, xây dựng, kiến trúc, điện, điện tử… b Phần mềm ProgeCAD
Phần mềm ProgeCAD, sản phẩm của hãng ProgeSOFT đến từ Thụy Sĩ, đã được phát triển từ năm 1999 và phiên bản đầu tiên chính thức ra mắt vào năm 2006.
ProgeCAD mang đến nhiều tính năng vượt trội so với AutoCAD LT và tương đương với AutoCAD full, bao gồm chuyển đổi ảnh và PDF sang CAD, hỗ trợ Import và Export các định dạng file 3D, xuất file PDF 3D, cùng với thư viện CAD 2D/3D phong phú Ngoài ra, ProgeCAD còn cung cấp chức năng đánh số tự động và tạo mặt cắt nâng cao, giúp nâng cao hiệu quả công việc cho người dùng.
1.4.2 Phần mềm 3D CAD Đây là nhóm phần mềm chuyên thiết kế các sản phẩm 3D, tạo bản vẽ kỹ thuật và có khả năng xây dựng bản vẽ lắp với số lượng chi tiết rất lớn Bên cạnh đó, nó có khả năng mô phỏng động học, động lực học cơ cấu, cụm máy
Có rất nhiều phần mềm thuộc nhóm này, trong đó có thể kể đến: SolidWorks, Autodesk Inventor, Solid Edge a Phần mềm Solidworks
Phần mềm CAD SolidWorks, thuộc Công ty SolidWorks, đã có mặt trên thị trường từ năm 1997 do Dassault Systèmes SolidWorks Corp phát triển Đây là một nhánh của Dassault Systèmes tại Vélizy, Pháp Tính năng CAD của SolidWorks được xem là nổi bật và quan trọng, để lại ấn tượng sâu sắc trong giới doanh nghiệp và các kỹ sư ngành Kỹ thuật, Mỹ thuật.
Phần mềm Solidworks nổi bật với các tính năng thiết kế chi tiết 3D, lắp ráp và xuất bản vẽ 2D, giúp người dùng dễ dàng tạo ra các bộ phận máy móc Ngoài ra, Solidworks còn hỗ trợ phân tích động học và động lực học, cùng với việc tích hợp mô-đun SolidCAM cho gia công CNC, bao gồm phay và tiện Người dùng cũng có thể gia công nhiều trục và thiết kế khuôn với mô-đun 3Dquickmold, mang lại sự linh hoạt và hiệu quả trong quy trình thiết kế và sản xuất.
Autodesk Inventor Professional mang đến những cải tiến vượt trội với bộ lệnh nâng cao cho thiết kế, kiểm tra và trình bày sản phẩm cơ khí Với phần mềm tích hợp này, các kỹ sư cơ khí và cơ điện tử có thể dễ dàng thiết kế, phê duyệt và quản lý mọi khía cạnh của máy móc, từ đó nâng cao năng suất làm việc Phần mềm cho phép phát triển mô hình 3D hoàn chỉnh nhanh chóng, giúp rút ngắn thời gian ra mắt sản phẩm và nâng cao chất lượng Autodesk cung cấp các chức năng chuyên biệt phù hợp với yêu cầu công việc của người dùng.
Enhance your tube and pipe designs while saving time with Autodesk Inventor Professional's 3D Tube and Pipe environment.
Thiết kế 3D cho cáp và dây harness trong Autodesk Inventor Professional giúp tiết kiệm thời gian và chi phí bằng cách tự động tính toán chiều dài dây điện và đường kính ống dây Quá trình này loại bỏ sự cần thiết phải chọn chiều dài dây bằng tay từ các mẫu kim loại, đồng thời xuất ra dữ liệu như danh sách dây và bảng vật liệu một cách tự động.
Việc áp dụng các chương trình thiết kế cơ điện tử và máy móc công nghiệp giúp giảm thiểu độ co rút của sản phẩm và rút ngắn thời gian thiết kế Bạn có thể tiết kiệm thời gian và nâng cao năng suất bằng cách nhập IDF 2 hoặc 3 mạch in vào phần mềm thiết kế PCB trong Solid Edge.
Solid Edge là phần mềm kết hợp các công cụ dễ sử dụng với giá cả hợp lý, giúp xử lý toàn diện quá trình phát triển sản phẩm Với hệ sinh thái ứng dụng phong phú, Solid Edge hỗ trợ thiết kế 3D, mô phỏng, chế tạo và quản lý dữ liệu Phần mềm này kết hợp tốc độ và sự đơn giản của mô hình hóa trực tiếp với tính linh hoạt và kiểm soát của thiết kế tham số, nhờ vào công nghệ thiết kế đồng bộ.
1.4.3 Phần mềm 3D CAD/CAM Đây là nhóm phần mềm tích hợp giáp pháp tổng thể PLM (vòng đời sản phẩm) từ CAD, CAM đến CAE…
Một số phần mềm nổi bật như: NX, Catia, Pro-engineer… a Phần mềm NX
NX là phần mềm CAD/CAM mạnh mẽ, kết hợp giữa Unigraphics NX và Ideas, mang đến nhiều công cụ và tùy chọn với giao diện thân thiện Nhiều công ty hàng đầu như Samsung, Nissan, Panasonic, Isuzu, Canon, Fujitsu, Boeing, Dyson, Rolls Royce và Fiat đang tin dùng NX.
CATIA được viết tắt từ cụm từ “Computer Aided Three Dimensional Interactive