Bài giảng Hệ thống sản xuất linh hoạt - Chương 4 CAD/CAM/CAE trong CIM

1HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA HÀNG KHễNG VŨ TRỤ BÀI GiẢNG MễN HỌC HỆ THỐNG SẢN XUẤT LINH HOẠT TS. Trần ðức Tăng Bộ mụn CNTB & HKVT ðiện thoại: 0973 991486 Email: tranductang@yahoo.com TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT 4. Giải phỏp CN mới trong CAD/CAM/CAE 2. Cỏc chức năng của CAD/CAM/CAE Nội dung 3. Những cụng nghệ mới trong CAD 1. Vai trũ của mỏy tớnh trong SX hiện ủại Chương 4: CAD/CAM/CAE trong CIM 2TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT 1. Vai trò của máy tính trong sản xuất hiện đại 1.1 Các công cụ thiết kế và sản xuất có trợ giúp của máy tính
Thiết kế là quá trình hình dung, tính toán, tạo dựng mô hình, thử nghiệm,... để cuối cùng đ−a ra một đặc tả về sản phẩm xác định. Dựa vào bản đặc tả đó, ng−ời ta có thể chế tạo ra sản phẩm theo đúng yêu cầu đặt ra.
Nội dung và trình tự của quá trình thiết kế không có gì thay đổi so với tr−ớc đây, nh−ng việc ứng dụng máy tính nh− một công cụ đã làm nên một cuộc cách mạng về ph−ơng pháp tiến hành và mang lại hiệu quả to lớn không chỉ cho bản thân quá trình thiết kế mà còn cho cả các giai đoạn tiếp theo. TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Thiết kế một sản phẩm nhằm thoả mãn nhu cầu của một cá nhân, một nhóm ng−ời hay của cộng đồng. Vì vậy ng−ời thiết kế phải biết rõ những yêu cầu đối với sản phẩm t−ơng lai.
Trong kỹ thuật, th−ờng các yêu cầu đó đ−ợc thể hiện một cách định l−ợng bằng một bộ các điều kiện kỹ thuật bắt buộc, và các thông số t−ơng ứng của sản phẩm thiết kế phải thoả mãn (bằng hoặc tốt hơn) các điều kiện đó.
Trên thực tế th−ờng tồn tại không chỉ một mà một số ph−ơng án có thể thoả mãn các điều kiện kỹ thuật đặt ra. Vì vậy, ng−ời thiết kế phải cân nhắc các yếu tố kỹ thuật, kinh tế, xã hội liên quan đến mua sắm và sử dụng sản phẩm để chọn ph−ơng án tốt nhất. 3TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Chọn ph−ơng án thiết kế là một bài toán phức tạp, không phải lúc nào cũng t−ờng minh. Vì vậy, ng−ời thiết kế phải có đủ kinh nghiệm để có thể đ−a ra quyết định chính xác.
Theo truyền thống, quá trình thiết kế đ−ợc bắt đầu và đ−ợc thực hiện chủ yếu nhờ các kỹ s− thiết kế cùng các nhân viên can vẽ. Họ có nhiệm vụ đ−a ra tài liệu thiết kế (gồm thuyết minh, mô tả, bản vẽ, mô hình,...) của sản phẩm.
Các kỹ s− sản xuất căn cứ vào các tài liệu thiết kế để chế tạo ra sản phẩm. Một số điều kiện kỹ thuật, nh− kích th−ớc và dung sai kích th−ớc, điều kiện lắp ráp, vật liệu,... có thể đ−ợc bổ sung hoặc hiệu chỉnh trong giai đoạn sản xuất này. TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Sau mỗi lần hiệu chỉnh, cần tiến hành phân tích, kiểm tra các điều kiện làm việc của sản phẩm, ví dụ công suất, độ bền và độ ổn định,... Có tr−ờng hợp thậm chí phải xem xét lại cả tính hợp lý của các điều kiện kỹ thuật đặt ra ban đầu.
Thiết kế là một quá trình t−ơng tác giữa các bộ phận: tiếp thị, thiết kế, sản xuất 4TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Các b−ớc của quá trình thiết kế và khả năng trợ giúp của máy tính TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Phân tích nhiệm vụ thiết kế
Đây là b−ớc rất quan trọng: ng−ời thiết kế tiếp cận đối t−ợng thiết kế, tiếp nhận các thông tin thị tr−ờng, phân tích các khía cạnh kinh tế, kỹ thuật của sản phẩm, phản biện tính hợp lý trong yêu cầu của khách hàng,.. lựa chọn và tập trung vào những thông số quan trọng nhất.
Khi phân tích nhiệm vụ thiết kế, ng−ời thiết kế phải làm rõ những vấn đề sau: - Mục tiêu chính của sản phẩm, đối t−ợng và phạm vi phục vụ. - Các điều kiện kỹ thuật cần đạt đ−ợc. - Các chỉ tiêu kiểm tra, đánh giá sản phẩm. 5TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Thiết kế sơ bộ
Trên cơ sở nhiệm vụ thiết kế, thông tin về các sản phẩm t−ơng tự và bằng kinh nghiệm, kiến thức của mình, ng−ời thiết kế hình dung ra diện mạo ban đầu của sản phẩm.
Để kiểm tra khả năng đáp ứng các yêu cầu chính của sản phẩm, ng−ời thiết kế có thể tạo ra mô hình thử nghiệm. Th−ờng thì các sản phẩm hoặc các bản thiết kế đã có là những t− liệu tham khảo rất tốt cho thiết kế sơ bộ.
Các nhà sản xuất có truyền thống lâu đời th−ờng có sẵn dữ liệu d−ới dạng các cataloge, th− viện, tiêu chuẩn để một mặt đảm bảo tính thống nhất giữa các sản phẩm của cùng hãng, mặt khác giúp cho ng−ời thiết kế trải qua giai đoạn này một cách nhanh chóng và có chất l−ợng. TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Các sản phẩm phức tạp th−ờng đ−ợc chia thành các mô đun. Nếu có nhiều mô đun đã đ−ợc tiêu chuẩn hoá thì quá trình thiết kế sơ bộ sẽ rất đơn giản, chỉ là chọn và tích hợp các mô đun 6TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Thiết kế kỹ thuật
B−ớc này còn đ−ợc gọi là tổng hợp, trong đó các khía cạnh kỹ thuật, các cơ cấu,... đ−ợc tính toán, sắp xếp, nối ghép thành hệ thống.
Nội dung của b−ớc này gồm: - Tính toán, thiết kế các cụm chính. - Tính toán lại các thông số kỹ thuật. - Tính toán các yếu tố kinh tế, môi tr−ờng, xã hội của sản phẩm,...
Đây là giai đoạn phức tạp, tốn công nhất của quá trình thiết kế và th−ờng do nhiều nhóm kỹ s− thuộc các chuyên ngành khác nhau thực hiện. TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Phân tích, thử nghiệm
B−ớc này có nhiệm vụ thử nghiệm các thông số kỹ thuật của sản phẩm theo điều kiện đầu vào.
Các công cụ phân tích (ứng suất, dao động, nhiệt,...) đ−ợc sử dụng chủ yếu vào giai đoạn này, để kiểm tra toàn bộ thiết bị hay từng cụm, từng chi tiết,...
Một số nội dung phân tích có thể đ−ợc thực hiện ngay trong khi thiết kế kỹ thuật. 7TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Hoàn thiện thiết kế
Nếu mọi việc kiểm tra, phân tích, thử nghiệm đã đ−ợc hoàn thành và chứng tỏ sản phẩm đã thoả mãn các yêu cầu đặt ra thì tiến hành các nội dung hoàn thiện thiết kế: - Hoàn thiện về kiểu dáng, kích th−ớc, màu sắc, giao diện điều khiển, tiện nghi sử dụng, tính ergonomics (nhân trắc học), môi tr−ờng,... - Tạo ra các tài liệu thiết kế. Đối với các sản phẩm quan trọng hoặc mới thiết kế lần đầu, ng−ời ta có thể tạo ra các mô hình thực hoặc chế tạo một hoặc nhiều lần các mẫu thử. Bộ tài liệu, mô hình, sản phẩm chế thử,... chính là sản phẩm cuối cùng của quá trình thiết kế. TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Sau b−ớc này, mọi việc thiết kế về cơ bản đã hoàn tất, có thể chuyển giao sản phẩm thiết kế cho sản xuất.
Máy tính, với khả năng tính toán, hiển thị đồ hoạ, hoạt hình và các công cụ đa ph−ơng tiện có thể trợ giúp mọi giai đoạn thiết kế. Tập hợp các công cụ trợ giúp thiết kế nhờ máy tính và sự t−ơng tác giữa chúng đ−ợc gọi chung là CAD. 8TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT 2. Các chức năng của CAD/CAM/CAE 2.1 Chức năng vẽ Tạo bản vẽ kỹ thuật vẫn là chức năng không thể thiếu đ−ợc của CAD. Các phần mềm CAD hiện đại có 2 công cụ giúp tạo ra các bản vẽ kỹ thuật. 2.1.1 Dùng chức năng Draft - Draft là chức năng cơ bản của các phần mềm vẽ (nh− AutoCAD và các phần mềm CAD 2D). - Đối t−ợng cơ bản dùng trong các phần mềm này là các đối t−ợng hình học đơn (điểm, đ−ờng thẳng, cung tròn, đ−ờng tròn, elip,...) và các đối t−ợng phức hợp (đa tuyến, đa giác,...), các đ−ờng kích th−ớc, các ký hiệu (độ nhám, mối hàn,...), chữ (text), mẫu tô (Hatch),... TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT - Từ các đối t−ợng cơ bản này, ng−ời ta tạo ra các bản vẽ (Drawing) t−ơng tự nh− dùng bút chì, th−ớc kẻ.
Khác với công cụ vẽ thủ công, các phần mềm Draft có các tiện ích, giúp cho việc vẽ đ−ợc nhanh chóng, chính xác hơn: - Hệ thống l−ới và các công cụ truy bắt điểm, giúp tạo lập các quan hệ hình học (song song, vuông góc, cắt nhau, qua tâm,...) đ−ợc dễ dàng. - Chức năng copy, xoá, di chuyển, phóng to, thu nhỏ các đối t−ợng, trợ giúp việc chỉnh sửa bản vẽ. - Chức năng điều khiển màn hình (thu phóng, xê dịch, quay,...) phục vụ việc quan sát các đối t−ợng. 9TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT - Th− viện các đối t−ợng (các ký hiệu đặc biệt, các chi tiết dùng chung (ổ lăn, chốt, chi tiết kẹp,...). - Các macro để vẽ nhanh các đối t−ợng thông dụng (chi tiết kẹp, trục, bánh răng,...) hoặc ghi kích th−ớc tự động, tra và điền dung sai vào bản vẽ.
Phần lớn các phần mềm draft cung cấp giao diện lập trình và môi tr−ờng mở, cho phép lập trình bằng các ngôn ngữ bậc cao để tự động quá trình vẽ hoặc mở rộng chức năng theo ý muốn của ng−ời dùng. TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Hoàn toàn t−ơng tự chức năng vẽ trong các phần mềm draft, công cụ sketch (Sketcher) của các phần mềm CAD 3D có thể đ−ợc dùng để trực tiếp tạo lập bản vẽ. - Sketcher là công cụ phác thảo, có nhiệm vụ chính là tạo ra các Profile 2D hoặc 3D để từ đó hình thành các mô hình vật đặc (Solid) hoặc bề mặt (Surface). - Do kế thừa đ−ợc công cụ vẽ của các phần mềm Draft, đ−ợc bổ sung công cụ tham số hoá, Sketcher của CAD hiện đại trở thành công cụ vẽ mạnh và linh hoạt để tạo ra các bản vẽ kỹ thuật. 10 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT 2.1.2 Tạo bản vẽ từ mô hình
Trong CAD hiện đại, bản vẽ là sự biểu hiện bằng ngôn ngữ kỹ thuật của mô hình. Vì vậy, cách thông th−ờng nhất để tạo bản vẽ là xuất trực tiếp các hình chiếu, hình cắt từ mô hình. Mô hình và bản vẽ trong CAD TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Vì vậy, ngoài cách gọi thông th−ờng (Draw), bản vẽ còn có tên khác, là "Lay-Out".
Từ một mô hình có thể tạo nhanh chóng một hay nhiều bản vẽ, nhiều hình chiếu khác nhau.
Giữa mô hình và các bản vẽ đ−ợc tạo từ đó có mối liên hệ qua lại. Mỗi thay đổi từ mô hình sẽ đ−ợc tự động cập nhật sang bản vẽ và ng−ợc lại. 11 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT 2.2 Chức năng tạo mô hình
Với các hệ CAD hiện đại, môi tr−ờng làm việc chủ yếu của kỹ s− thiết kế không phải bản vẽ (Drawing) mà là mô hình (Model)
Bản vẽ đúng là ngôn ngữ của ng−ời kỹ s−, nh−ng nó chứa các hình chiếu, hình cắt, kích th−ớc, các chú giải với những quy −ớc mà chỉ ng−ời kỹ s− mới hiểu đ−ợc và chỉ dùng để cho con ng−ời l−u trữ hoặc trao đổi thông tin với nhau.
Bản vẽ là một tài liệu "chết". Còn với mô hình, chúng ta có thể "tháo", "lắp", "quan sát" từ các góc độ, cự ly khác nhau; có thể tra khối l−ợng, thể tích của các chi tiết hoặc cụm chi tiết; có thể "vận hành" nó để khảo sát động học, động lực học của các cơ cấu; có thể tính ứng suất và biến dạng của các chi tiết,... TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Mô hình đ−ợc dùng nh− đối t−ợng chính và chức năng tạo mô hình là chức năng chính trong các phần mềm CAD hiện đại.
Các phần mềm CAD hiện đại dùng 3 loại mô hình: - Mô hình khung dây (Wireframe model) dùng l−ới các đ−ờng thẳng và đ−ờng cong để mô tả vật thể 3D. + Đây là dạng mô hình đơn giản nhất, đòi hỏi dung l−ợng máy tính nhỏ, hiển thị nhanh. + Nh−ợc điểm của mô hình khung dây là không thể hiện rõ các bề mặt nên khó hình dung vật thể. 12 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT - Mô hình bề mặt (Surface Model), vật thể đ−ợc biểu diễn bằng tập hợp các bề mặt (phẳng hay không gian) có màu sắc. Một vật đặc đ−ợc biểu diễn bằng một không gian rỗng, kín, bị giới hạn bởi các bề mặt. + Mô hình bề mặt có thể đ−ợc tạo ra bằng hai cách: cho một đ−ờng cong "quét" theo một đ−ờng cong khác hoặc đ−ợc ghép từ các bề mặt cơ bản. + Do dễ tạo, dễ hiệu chỉnh, mô hình bề mặt cho phép tạo ra các mặt cong phức tạp. Từ mô hình bề mặt dễ dàng tạo ra quỹ đạo gia công cho các máy CNC. TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT - Mô hình vật thể đặc (Solid Model) là dạng mô hình hoàn chỉnh nhất, không chỉ cho phép hình dung vật thể trong không gian thực mà còn có thể biểu diễn các tính chất vật lý, nh− khối l−ợng, toạ độ trọng tâm, momen quán tính,... + Mô hình solid có thể đ−ợc cắt, bổ để thể hiện vật liệu bên trong. + Có thể tạo mô hình solid bằng 2 cách: ghép từ các khối cơ sở bằng phép hợp (Union), trừ (Subtraction) và giao (Intersection) hoặc cho một bề mặt chuyển động trong không gian.
Ba dạng mô hình trên có thể t−ơng tác, trao đổi cho nhau. Vì vậy, trong thiết kế th−ờng kết hợp cả 3 dạng mô hình trên. 13 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT 2.3 Chức năng phân tích
Là chức năng tính toán động học, động lực học, nhiệt, ứng suất, biến dạng,... của các chi tiết, cơ cấu, thiết bị và hệ thống.
Các công cụ tính toán, phân tích trên xuất hiện độc lập với CAD, nh−ng đã đ−ợc tích hợp vào CAD để tận dụng khả năng đồ hoạ kỹ thuật ngày càng mạnh của nó. Sự tích hợp các chức năng phân tích vào CAD làm xuất hiện một thuật ngữ mới: CAE (Computer Aided Engineering)
Nhờ CAE, chúng ta có thể tạo và khảo sát các đối t−ợng và quá trình một cách trực quan. TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Mô phỏng động lực học 14 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Chức năng nữa có trong hầu hết các phần mềm CAD là tính toán cơ học và nhiệt nhờ ph−ơng pháp phần tử hữu hạn (Finite- Element Analysis - FEA).
Việc tích hợp FEA vào CAD cho phép tạo mô hình đối t−ợng, đặt tải trọng, đặt các điều kiện ràng buộc một cách trực quan ngay trên mô hình. Mọi việc chia l−ới, tính toán, hiển thị do phần mềm thực hiện tự động. Kết quả phân tích đ−ợc xuất ra, hiển thị ngay trên mô hình gốc, cho biết sự phân bố tải trọng, biến dạng và vị trí nguy hiểm. Đó là môi tr−ờng t−ơng tác, cho phép sửa đổi - tính toán - tối −u các thông số kỹ thuật. TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Cải tiến kết cấu nhờ FEA 15 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Phần lớn hệ CAD có chức năng tính toán các bộ truyền cơ khí thông dụng, nh− bánh răng, xích, đai, cam,... kèm theo th− viện chi tiết tiêu chuẩn, nh− ổ lăn, vòng bít, trục, chi tiết kẹp chặt,.. Th− viện các chi tiết tiêu chuẩn đ−ợc tích hợp trong Inventor TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Các chi tiết với kích th−ớc xác định đ−ợc chọn từ th− viện, sau đó đặt vào mô hình lắp ráp. 16 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Sự kết hợp giữa cơ sở dữ liệu với mô hình tham số của CAD tạo ra một th− viện thông minh (Knowledge), cho phép thiết kế "từ trên xuống (Top Down), phù hợp với ph−ơng pháp t− duy của kỹ s− thiết kế.
Kết cấu lắp ráp đ−ợc phác thảo dạng sơ đồ, sau đó quá trình đ−ợc hiện thực hoá trong môi tr−ờng solid 3D. TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Thiết kế cụm truyền động trên cơ sở th− viện thông minh 17 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Kết hợp công cụ phân tích động lực học với FEA cho phép xác định không chỉ sự biến thiên của lực, momen, công suất,... mà cả ứng suất ngay trên mô hình động. Dựa vào đó, có thể xác định nhanh chóng vị trí công tác ở trạng thái nguy hiểm. Phân tích động lực học kết hợp với FEA TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Trong CAD có thể tích hợp các mô đun thiết kế chuyên dùng, nh− thiết kế khuôn, thiết kế đ−ờng ống, thiết kế chi tiết vỏ mỏng,...
CAD đang phát triển nhanh chóng vì vậy cần không ngừng cập nhật thông tin mới. 18 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT 2.4 Chức năng CAM
CAM xuất hiện một cách độc lập với CAD, nhằm mục đích riêng ban đầu là trợ giúp lập trình cho các máy CNC.
Xu h−ớng tích hợp CAD/CAM nảy sinh từ những năm 70 của thế kỷ tr−ớc để tận dụng môi tr−ờng đồ hoạ của CAD.
Hiện nay phần lớn các hệ CAD hiện đại đều có chức năng CAM và trở thành các hệ CAD/CAM.
Chức năng CAM đ−ợc hình thành trong CAD theo 2 h−ớng: - H−ớng thứ nhất, các nhà sản xuất phần mềm CAD bổ sung thêm chức năng CAM vào sản phẩm CAD của họ để tạo ra các phần mềm CAD/CAM thống nhất (Pro/Engineer, Cimatron, CATIA) TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT - H−ớng thứ hai, các nhà chuyên viết phần mềm CAM phát triển các modul CAM trên nền các phần mềm CAD của hãng khác. Bằng cách này, các sản phẩm CAD/CAM kế thừa đ−ợc tinh hoa của các hãng sản xuất hàng đầu thế giới trong cả 2 lĩnh vực. Ví dụ, hãng Pathrace đã chọn các phần mềm CAD đ−ợc −a chuộng nhất thế giới, nh− Mechanical Desktop, Inventor, Solid Work để phát triển phần mềm EdgeCAM của họ. Kết quả là sinh ra các tổ hợp CAD/CAM lai (EdgeCAM for Mechanical Desktop, EdgeCAM for Inventor, EdgeCAM for Solid Work). 19 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT 3. Những công nghệ mới trong CAD
Các phần mềm CAD 2D (VD. AutoCAD) buộc ng−ời dùng phải nhập chính xác các kích th−ớc và các quan hệ hình học giữa các đối t−ợng vào bản vẽ. Điều đó không thể thực hiện đ−ợc khi ch−a có bản thiết kế hoàn chỉnh. Vì vậy, chức năng vẽ dù tốt đến đâu thì cũng không thể đảm bảo cho CAD thành công cụ trợ giúp thiết kế thực sự. Muốn có môi tr−ờng thiết kế phải có CAD 3D với chức năng mô hình hoá và phân tích mạnh với các công nghệ thiết kế mới. Các công nghệ này đảm bảo cho ng−ời kỹ s− thiết kế theo "quy trình thuận" Kết quảPhác thảo Lập mô hình Tính toán, phân tích Kiểm nghiệm Chỉnh sửa TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT 3.1 Thiết kế theo tham số (Parametric Design)
Với công nghệ này, thay vì phải vẽ chính xác ngay từ đầu, chúng ta bắt đầu bằng phác thảo, sau đó mới chính xác hoá bằng cách gán kích th−ớc và các liên kết hình học cho đối t−ợng.
Chúng ta cũng có thể gán mối quan hệ giữa các kích th−ớc (ví dụ sự phụ thuộc của đ−ờng kính lỗ vào chiều dày moay ơ) để mỗi khi thay đổi chiều dày moay ơ thì đ−ờng kính tự động thay đổi theo.
Công nghệ tham số tạo cho CAD các −u điểm sau: - Giúp ng−ời kỹ s− hình thành và thể hiện ý t−ởng thiết kế đúng theo quy luật tự nhiên của quá trình t− duy: đi từ phác thảo ý đồ đến chính xác hoá mô hình rồi mới xuất tài liệu thiết kế. 20 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT - Làm cho quá trình thiết kế đ−ợc mềm dẻo, linh hoạt. Các sản phẩm thiết kế có thể đ−ợc sửa đổi một cách dễ dàng, trong bất cứ giai đoạn nào. - Dễ kế thừa các kết quả thiết kế đã có. Nhờ công nghệ này mà ng−ời dùng có thể tự tạo các th− viện các chi tiết hoặc kết cấu máy cho riêng mình và sử dụng chúng một cách hiệu quả. - Giữ mối liên kết giữa mô hình và tài liệu thiết kế. TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT 3.2 Thiết kế h−ớng đối t−ợng (Feature Based Design)
Công nghệ này đánh dấu một b−ớc tiến lớn trong công nghệ CAD. Thay vì làm việc với các đối t−ợng đơn giản, nh− đ−ờng thẳng, cung tròn, kích th−ớc,... rời rạc, ng−ời dùng làm việc trực tiếp với các bề mặt (trụ, ren, rãnh then), với các chi tiết và cụm lắp ráp. Nhờ vậy có thể tạo các mối ghép, các khớp, cặp truyền động nh− trong thế giới thực. Quản lý mô hình theo đối t−ợng 21 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Nhờ các đối t−ợng đ−ợc quản lý chặt chẽ theo tên gọi và số l−ợng, việc tạo ra cơ sở dữ liệu và xuất bảng danh mục sản phẩm trong bản vẽ lắp đ−ợc thuận tiện và dễ dàng, chính xác.
Đối t−ợng cơ sở dùng trong CAD hiện đại là các Feature. Từ các Feature mới hình thành các chi tiết máy, các cụm lắp và các sản phẩm lắp ráp hoàn chỉnh. TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT 3.3 Thiết kế thích nghi (Adaptive Design)
Đến nay công nghệ thiết kế thích nghi còn rất mới, duy nhất chỉ có ở phần mềm Inventor của Autodesk.
Nó cho phép tạo ra các mô hình "thông minh", tự thay đổi kích th−ớc để lắp vừa với chi tiết đối ứng. Ví dụ: càng 1 (chi tiết thích nghi) không lắp vừa với vành 2 (chi tiết cố định) do kích th−ớc của chúng khác nhau. Sau khi lắp đ−ợc mặt bên trái, càng 1 tự thay đổi kích th−ớc để lắp vừa mặt bên phải của vành 2.
Công nghệ thích nghi giúp cho quá trình thiết kế đ−ợc mềm dẻo và năng suất hơn. 22 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Công nghệ thích nghi của Autodesk Inventor TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT 3.4 Các đối t−ợng cơ bản trong CAD hiện đại
Sketch - Sketch là đối t−ợng hình học đơn giản, dạng khung dây 2D hoặc 3D, đ−ợc dùng để tạo ra các Feature. - Sketch bao gồm các phần tử hình học cơ bản (Entity) của CAD, nh− đoạn thẳng (Line), cung tròn (Arc), vòng tròn (Circle), chữ nhật (Rectang),... đ−ợc sắp xếp và định hình một cách có chủ đích nhờ các liên kết (Constraint) và các kích th−ớc (Dimension).
Constraint quy định vị trí t−ơng quan giữa các phần tử hình học. Các Constraint th−ờng dùng là: 23 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT - Same Point: trùng khít toạ độ 2 điểm - Horizontal: gióng một đ−ờng thành nằm ngang - Vertical: gióng một đ−ờng thành thẳng đứng - Point On Entity: buộc một điểm nằm trên một đ−ờng - Tangent: buộc 2 đ−ờng tiếp tuyến với nhau - Perpendicular: buộc 2 đ−ờng thẳng vuông góc với nhau - Parallel: buộc 2 đ−ờng thẳng song song với nhau - Equal Radii: buộc 2 cung tròn có bán kính bằng nhau - Equal Lengths: buộc 2 đ−ờng có chiều dài bằng nhau TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT - Symmetric: buộc 2 điểm đối xứng nhau qua một centerline - Line Up Horizontal: buộc 2 điểm nằm ngang với nhau - Line Up Vertical: buộc 2 điểm thẳng đứng với nhau - Collinear: buộc 2 đ−ờng thẳng trùng nhau - Allinment: buộc một điểm hoặc một đ−ờng nằm trên một đ−ờng khác. 24 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Các kích th−ớc dùng trong Sketch là kích th−ớc tham số (Parametric Dimension).
Khác với trong CAD truyền thống, mỗi đối t−ợng nhận các giá trị kích th−ớc cố định, trong CAD tham số, chúng nhận các tham số (biến) với giá trị thay đổi đ−ợc.
Mỗi khi thay đổi giá trị của tham số thì bản thân đối t−ợng bị thay đổi theo.
Giữa các tham số có thể hình thành mối quan hệ (Relation), để khi một tham số thay đổi thì các tham số liên quan cũng đ−ợc cập nhật. Điều này tạo sự linh hoạt cho quá trình thiết kế. TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Ví dụ: Khi thay đổi giá trị chiều rộng d1 của khối hộp thì giá trị của chiều dài d2 và chiều cao d3 thay đổi theo quan hệ: d2 = 2 ì d1 d3 = 0.8 ì d1 d1d3=0.8*d1 d2=2*d1 Quan hệ tham số 25 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Feature - Feature là đối t−ợng hình học 3D cơ bản nhất của Feature Based CAD, hình thành hoặc trợ giúp cho hình thành các mô hình chi tiết (Part) hoặc mô hình lắp ráp (Assembly). - Theo vai trò của Feature và cách tạo ra nó trong thiết kế hoặc trong kết cấu, ng−ời ta phân biệt các loại Feature sau: Sketched Feature: là Feature đ−ợc tạo ra từ Sketch. + Sau khi có Sketch, ng−ời ta mới dùng các công cụ mô hình hoá (Extrude, Revolve, Sweep, Loft,...) để tạo ra Feature. + Feature đầu tiên trong mỗi chi tiết phải là Sketched Feature. + Sketched Feature còn đ−ợc gọi là Feature cơ sở. Các Sketched Feature th−ờng là các bề mặt cơ bản trong chi tiết. TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Placed Feature: là Feature đ−ợc tạo ra trên cơ sở các Feature khác. + Chúng không dựa vào Sketch hoặc chỉ dựa một phần vào Sketch. + Các loại Placed Feature cơ bản là: Hole (lỗ), Fillet hoặc Round (vê tròn cạnh hoặc góc), Chamfer (vát cạnh hoặc góc), Rib (gân), Sheet (vỏ mỏng). Pro/E gọi các loại này là Construction Feature. 26 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Work Feature: là Feature không cấu thành chi tiết mà chỉ giúp ích cho hình thành chi tiết. - Chúng th−ờng đ−ợc dùng làm chuẩn kích th−ớc để định vị các Feature khác trong chi tiết hoặc để định vị các chi tiết trong cụm lắp. - T−ơng ứng với 3 loại chuẩn cơ bản (mặt chuẩn, trục chuẩn, điểm chuẩn) có 3 loại Work Feature là: Work Plane, Work Axis và Work Point. Pro/E gọi các Work Feature là Datum: Datum Plane, Datum Axis, Datum Point. TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Part - Khái niệm Part t−ơng ứng với khái niệm chi tiết máy trong cơ khí. Vì vậy, khi làm việc với các phần mềm thiết kế cơ khí nên gọi Part là chi tiết máy, hay đơn giản là chi tiết. - Khi lắp ráp, ng−ời ta còn dùng từ Component (cấu tử) để chỉ Part hoặc Sub Assembly (cụm lắp con).
Assembly - Assembly đ−ợc hiểu t−ơng tự nh− trong cơ khí là cụm lắp độc lập. - Assembly đ−ợc hình thành bằng cách ghép chi tiết hoặc các cụm lắp con (Sub Assembly) nhờ các mối ghép (Constraint). Sơ đồ cấu trúc của Assembly có dạng nhánh cây. 27 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Sub Assembly - Sub Assembly đ−ợc hiểu t−ơng tự nh− trong lắp ráp cơ khí là cụm lắp con. - Nó đ−ợc hình thành từ các chi tiết hoặc các cụm lắp con khác. Sub Assembly khác với Assembly chỉ ở tính độc lập. TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT 4. Một số giải pháp công nghệ mới trong CAD/CAM/CAE 4.1 Công nghệ số hóa bề mặt
Công nghệ số hoá các bề mặt 3D (3D Scanning, hoặc 3D Digitiging) xuất hiện từ cuối thế kỷ tr−ớc và đã nhanh chóng đ−ợc phổ cập trong thiết kế cơ khí, nhất là trong các ngành công nghiệp ô tô, hàng không vũ trụ, chế tạo khuôn mẫu,... ở đó nhiều chi tiết có hình dạng phức tạp. Sau đó công nghệ này có mặt trong nhiều lĩnh vực khác, nh− điêu khắc (chế tác t−ợng), y học (chế tác x−ơng thay thế), nhân trắc học (ghi và khảo sát khung dạng ng−ời).
Công nghệ thiết kế, chế tạo dùng thiết bị số hoá để copy mẫu vật lý ngày nay đ−ợc gọi là công nghệ tái tạo (Reverse Engineering - RE). 28 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Hệ thống số hoá 3D gồm có phần cứng (thiết bị dò, chụp mẫu) để lấy mẫu (đo, ghi dữ liệu bề mặt) d−ới dạng l−ới điểm hoặc dữ liệu tam giác và phần mềm để xử lý dữ liệu nhận đ−ợc.
Kết quả của quá trình th−ờng là dữ liệu dạng CAD, cho phép hiệu chỉnh (nắn sửa, thay đổi kích th−ớc, thêm bớt đối t−ợng,...) để từ đó xuất ra bản vẽ kỹ thuật, ch−ơng trình cho máy CNC hoặc dữ liệu STL cho thiết bị tạo mẫu nhanh.
Theo ph−ơng pháp lấy mẫu, có 2 loại thiết bị là lấy mẫu có tiếp xúc và lấy mẫu không tiếp xúc. TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT - Ph−ơng pháp tiếp xúc th−ờng dùng một đầu dò, cho tr−ợt trên bề mặt theo l−ới định tr−ớc và liên tục ghi lại các toạ độ nhận đ−ợc. Đầu dò có thể đ−ợc gắn lên và đ−ợc điều khiển bởi máy đo toạ độ 3 chiều (Coordinate Measuring Machine - CMM), máy CNC hoặc tay cơ khí (ng−ời trực tiếp di chuyển). - Đây là ph−ơng pháp nguyên thuỷ, có −u điểm về độ tin cậy, chính xác cao. Độ phân giải cuả phần lớn các CMM là 0,5 àm, loại chính xác hơn, đạt 0,1 àm. - Nh−ợc điểm chính của ph−ơng pháp này là do đầu dò cơ khí gây nên, nh− không thể dò các khe, góc hẹp và có thể gây biến dạng chi tiết nếu chi tiết mềm. a) Ph−ơng pháp tiếp xúc 29 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT - Hiện nay ph−ơng pháp dò tiếp xúc vẫn đang đ−ợc dùng phổ biến. Số hoá dùng đầu dò tiếp xúc và ứng dụng trong các ngành công nghiệp TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT - Đầu dò tiếp xúc đ−ợc sử dụng cho các bề mặt trơn. - Đầu dò laser phù hợp hơn với các bề mặt gồ ghề phức tạp th−ờng gặp trong nghệ thuật, nh− mẫu huân huy ch−ơng, t−ợng,... - Phần mềm xử lý dữ liệu đi kèm thiết bị không chỉ có chức năng chuyển đổi dữ liệu đo sang dữ liệu CAD mà còn cho phép hiệu chỉnh (thu, phóng chung hoặc theo từng trục riêng biệt, lấy đối xứng, tạo mảng đối t−ợng,...), xuất dữ liệu cho các hệ CAD khác hoặc xuất ch−ơng trình cho máy gia công (máy CNC, EDM, RP). 30 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Thiết bị đo dạng cánh tay 31 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Các ph−ơng pháp không tiếp xúc dùng tia laser hoặc các dụng cụ quang học khác để dò hoặc chụp ảnh bề mặt vật cần đo (quét), sau đó nhờ phần mềm xử lý ảnh, chuyển thành dữ liệu của CAD. Độ chính xác của ph−ơng pháp này tuỳ thuộc thiết bị chụp ảnh và thiết bị xử lý ảnh, có thể đạt đến ±50 àm. Máy quét laser Dạng chụp ảnh b) Các ph−ơng pháp không tiếp xúc dùng tia laser TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Quét bề mặt bằng thiết bị quét laser 32 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Số hóa nhờ thiết bị chụp ảnh TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT - Quá trình số hoá 3D rất đơn giản. Đầu tiên, vật thể đ−ợc chụp ảnh. Tín hiệu thu đ−ợc có 2 phần: - Phần dữ liệu biên dạng hình học bao các bề mặt và phần dữ liệu màu t−ơng ứng. - Phần mềm dựa vào đó phân tích, xử lý và chuyển thành dữ liệu CAD d−ới dạng mô hình bề mặt để từ đó xuất ra cho các máy gia công điều khiển số hoặc thiết bị tạo mẫu nhanh. 33 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Số hóa 3D dùng thiết bị quét laser TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Số hóa 3D nhờ thiết bị quét laser 34 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT 4.2 Công nghệ tạo mẫu nhanh
Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping - RP) là tập hợp các công nghệ sản xuất các mô hình vật lý bằng ph−ơng pháp đắp vật liệu, đ−ợc điều khiển bằng dữ liệu của CAD
Thiết bị tạo mẫu nhanh (dùng công nghệ StereoLithograpy – SL) gồm 3 phần chính: - Bể đựng dung dịch polymer nhạy ánh sáng, nghĩa là sẽ bị hoá cứng khi có ánh sáng chiếu vào - Thiết bị phát và điều khiển tia laser - Máy tính với phần mềm CAD 3D và phần mềm điều khiển thiết bị. TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Mô hình solid của vật thể trong phần mềm CAD 3D đ−ợc cắt thành từng lớp mỏng (cỡ 0,02 đến 0,12 mm). Biên dạng của các lớp đ−ợc l−u vào file riêng d−ới dạng STL. Tia laser đ−ợc điều khiển, quét từng dòng trong khu vực của biên dạng bề mặt. Tia quét đến đâu thì chất lỏng bị hoá cứng đến đó và tạo thành một lớp mỏng. Sau đó, tấm đế dịch xuống một khoảng bằng bề dày của lớp và lớp khác đ−ợc tiếp tục tạo ra cho đến khi vật thể đ−ợc tạo xong. Nguyên lý làm việc 35 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Máy in 3D và các sản phẩm TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Các sản phẩm in nhanh 3D 36 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Ưu điểm của RP - Tạo ra mẫu nhanh hơn so với các ph−ơng pháp truyền thống. - Ngoài các −u điểm chính của RP là nhanh, rẻ, RP còn có các −u điểm khác, nh− tạo đ−ợc các mẫu, khuôn, chi tiết phức tạp, kể cả chi tiết có vùng rỗng kín. - Một số thiết bị có thể tạo mẫu nhiều màu, dùng trong chế tạo sản phẩm dùng ngay hoặc tạo mẫu thử, tr−ng bày và chào hàng. TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Nh−ợc điểm của RP - Phải dùng các vật liệu đặc biệt, có cơ lý tính khác hẳn so với vật liệu dùng cho sản phẩm thực, th−ờng có cơ tính, khả năng chịu nhiệt,... kém. Một số loại vật liệu rất đắt tiền. - Độ chính xác và chất l−ợng bề mặt của mẫu th−ờng kém. Mẫu sau khi định hình xong trên thiết bị tạo mẫu nhanh th−ờng phải đ−ợc gia công bổ sung (làm sạch bề mặt, hoá cứng vật liệu, đánh bóng, sơn, tẩm,...). Quá trình này đ−ợc gọi chung là hậu xử lý (Post-processing). 37 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT So sánh hiệu quả của RP so với các ph−ơng pháp gia công thông th−ờng TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Đến nay đã xuất hiện hàng chục công nghệ tạo mẫu nhanh với các tên gọi khác nhau, nh−ng theo dạng vật liệu sử dụng có thể đ−ợc gộp thành 4 nhóm: - Làm đông cứng chất lỏng cảm quang theo từng lớp bằng laser. - Trải vật liệu bột theo lớp, sau đó liên kết bột bằng keo hoặc nhiệt (hàn, thiêu kết). Một số ph−ơng pháp đ−ợc biết đến, nh− dùng tia laser để thiêu kết vật liệu bột (Selective Laser Sintering - SLS), dùng tia laser để nung chảy bột (Selective Laser Melting - SLM), dùng keo để liên kết vật liệu bột (3D Printing). 38 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT - Phun vật liệu lỏng hoặc vật liệu ở trạng thái nóng chảy theo lớp và để cho cứng tự nhiên. Thuộc nhóm này có phun vật liệu lỏng qua nhiều đầu phun (Multi-jet Modeling - MJM), phun polymer lỏng (Polyjet), phun vật liệu nung chảy (Fused Deposition Modeling - EDM),... - Cắt, dán vật liệu tấm theo từng lớp. - Các ph−ơng pháp thuộc nhóm này đ−ợc gọi là LOM (Laminated Object Manufacturing) - Vật liệu tấm có bề dày t−ơng ứng với bề dày của lớp cắt trong mô hình CAD, đ−ợc cắt theo đ−ờng bao của mỗi lớp. - Các lớp đ−ợc dán với nhau bằng keo, bằng nhiệt,... để tạo thành khối. TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT - Ưu điểm của LOM là rẻ, nhanh. - Nh−ợc điểm của nó là độ chính xác và độ bóng của mẫu không cao, cơ tính th−ờng không tốt. Mẫu sau khi tạo bằng LOM th−ờng phải đ−ợc gia công, xử lý tiếp.
Lĩnh vực ứng dụng của RP không ngừng mở rộng, không chỉ giới hạn trong tạo mẫu mà cả sang chế tạo dụng cụ (khuôn, cối) và chế tạo các sản phẩm dùng ngay (chi tiết máy, mẩu x−ơng ng−ời thay thế,...). Từ đó đã xuất hiện thêm 2 nhánh, là Rapid Tooling (RT) và Rapid Manufacturing (RM). 39 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT - Chế tạo nhanh, còn đ−ợc gọi là gia công số trực tiếp (Direct Digital Manu−fac−turing) là ứng dụng nguyên tắc tạo mẫu nhanh để làm ra sản phẩm dùng ngay mà không cần qua sự gia công nào khác. Bằng ph−ơng pháp này có thể chế tạo các chi tiết máy, mảnh x−ơng thay thế trong phẫu thuật. Chi tiết cánh turbine cao tốc đ−ợc chế tạo bằng vật liệu gốm theo công nghệ RP TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT - Chế tạo dụng cụ nhanh là ph−ơng pháp ứng dụng nguyên tắc tạo mẫu nhanh để chế tạo (trực tiếp hay gián tiếp) dụng cụ, khuôn, cối,... dùng ngay mà không cần qua sự gia công nào khác. - Có 2 ph−ơng pháp tạo khuôn dùng RP: gián tiếp và trực tiếp. - Theo ph−ơng pháp gián tiếp, dùng công nghệ RP chế tạo mẫu trung gian, sau đó dùng mẫu trung gian để đúc ra khuôn. Về bản chất, ph−ơng pháp chế tạo gián tiếp t−ơng tự nh− dùng mẫu gỗ để làm khuôn cát tr−ớc đây, chỉ khác là mẫu gỗ đ−ợc thay bằng mẫu RP. 40 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT - Ph−ơng pháp chế tạo trực tiếp, dùng công nghệ RP để chế tạo khuôn từ dữ liệu CAD. Vì vậy, ph−ơng pháp này còn đ−ợc gọi là chế tạo dụng cụ số trực tiếp (Direct Digital Tooling).
Hiện nay có nhiều công nghệ tạo mẫu nhanh nên chọn công nghệ nào là bài toán khó. Tr−ớc hết, cần xuất phát từ yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm: kích th−ớc, độ chính xác, độ bóng bề mặt, cơ tính, màu sắc,... Sau đó, tra cứu tham số của các thiết bị để chọn, có cân nhắc về chi phí, ảnh h−ởng tới môi tr−ờng,... TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT Bảng so sánh một số thiết bị với các công nghệ khác nhau. 41 TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT
Trong số các công nghệ và thiết bị đã liệt kê ở bảng trên, công nghệ 3DP là phù hợp hơn cả cho đa số các ứng dụng cơ khí vì nó có các −u điểm sau: - Tuy không bằng các ph−ơng pháp SLA hoặc SLS, nh−ng độ chính xác và chất l−ợng bề mặt nhận đ−ợc từ 3DP đủ đáp ứng yêu cầu. Khi cần độ bóng cao, có thể gia công bổ sung, nh− đánh bóng, sơn tẩm,... - Tốc độ in cao. Máy Z510 có 4 đầu phun, 1216 lỗ có thể tạo mỗi lớp trong khoảng 30 giây không phụ thuộc vào độ phức tạp, nhanh gấp 50 lần so với các ph−ơng pháp khác. TS. Trần ðức Tăng – Khoa HKVT - Có thể tạo sản phẩm với màu thực (máy Z510 có thể in mẫu tới 24 bít màu). Điều này đặc biệt tiện lợi cho tạo mẫu thử hoặc tr−ng bày, tiếp thị. Màu của chi tiết do chất lỏng dính kết tạo ra nên không sợ bị bong, tróc nh− sơn phủ. - Vật liệu phong phú, rẻ tiền. Có thể nói các vật liệu tạo bột đ−ợc đều có thể dùng cho 3DP. Hơn nữa còn có hệ thống thu bột thừa, tiết kiệm đáng kể vật liệu. - Thiết bị 3DP rẻ, dễ sử dụng và chi phí sử dụng thấp. Công nghệ không sinh nhiệt, không có nguồn laser gây hại nên có thể sử dụng ngay trong phòng làm việc bình th−ờng.