C4 CAD- CAM> CO SO CAD 1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH

Chương 4

CƠ SỞ CỦA CAD

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG.

4.1.1. Xác định một hệ CAD.

Các hệ CAD hiện đại (còn gọi là CAD/CAM) được xây dựng trên cơ sở đồ hoạ máy
tính tương tác (Interative Computer Graphics) viết tắt là ICG. Hệ thống đồ hoạ máy tính
tương tác là một hệ hướng đến người sử dụng, trong đó máy tính được dùng để tạo ra,
chuyển đổi và hiển thị dữ liệu dưới dạng các hình vẽ hay biể
u tượng. Người sử dụng ở đây
là nhà thiết kế, thực hiện truyền dữ liệu và ra lệnh cho các máy tính thông qua một số thiết
bị vào (INPUT) như chuột, bàn phím Còn máy tính thì liên lạc với con người thông qua
màn hình CRT (CRT viết tắt từ chữ Catode Ray Tube- ống phóng chùm tia âm cực). Người
sử dụng tạo ra một hình ảnh trên màn hình CRT bằng cách vào lệnh để gọi những chương
trình con (Subroutine) cần thiết của phần mềm lưu trữ
trong bộ nhớ máy tính. Hình ảnh
được xây dựng từ những phần tử hình học cơ bản như điểm, đường thẳng, vòng tròn v.v
Hình ảnh đó có thể được sửa đổi tuỳ theo lệnh của con người như phóng to, thu nhỏ, di
chuyển vị trí trên màn hình và theo các phép biến đổi khác.Thông qua các thao tác này mà
những chi tiết cần thiết của hình ảnh sẽ được tạo ra theo ý muốn của người thiết kế.

Một hệ thống ICG điển hình bao gồm phần cứng và phần mềm .
* Phần cứng gồm có bộ phận xử lý trung tâm (CPU), một hoặc nhiều trạm công tác
(Work Station) kể cả những terminal hiển thị đồ hoạ, và các thiết bị ngoại vi như máy vẽ,
máy in, v.v
* Phần mềm gồm các chương trình máy tính để thực hiện việc xử lí đồ hoạ trên hệ thố

• Tạo ra các bản vẽ kỹ thuật tốt hơn so với thiết kế truyền thống.
• Tiêu chuẩn hoá trong các bản vẽ cao hơn.
• Chất lượng hồ sơ, tư liệu thiết kế cao hơn.
• Bản vẽ đẹp, rõ ràng và ít sai sót.

4. Tạo ra một cơ sở dữ liệu trong máy tính để phục vụ cho giai đoạn chế tạo.
Trong quá trình xây dựng hồ sơ tư liệu thiết kế cho một sản phẩm, các chi tiết tạo nên
sản phẩm, đặc tính kỹ thuật, vật liệu v.v sẽ tạo những cơ sở dữ liệu cần cho việc chế
tạo sản phẩm, đồng thờ
i cũng được tạo ra và lưu trữ trong bộ nhớ của máy tính.

4.1.2. Lịch sử phát triển

Lịch sử phát triển của CAD liên quan trực tiếp tới sự phát triển của đồ hoạ máy tính.
Đương nhiên CAD bao hàm một nội dung rộng lớn hơn đồ hoạ máy tính, song hệ ICG là
bộ phận cơ bản của CAD. Lịch sử phát triển của đồ hoạ máy tính diễn biến qua nhiều thời
k
ỳ:
• 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 h
ọc 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 li

Ở Việt Nam, CAD/CAM xuất hiện thông qua các phần mềm mua của nước ngoài
để học tập, nghiên cứu và ứng dụng. Tuy nhiên cũng đã có những cố gắng bước
dầu theo hướng tự sản xuất phần mềm trong nước. Chẳng hạn Viện Tin học năm
1992 đã cho ra đời gói phần mềm TOWER để trợ giúp thiết kế mẫu thảm len
trong khuôn khổ Dự án VIE/88/035, năm 1988 Công ty tư nhân Hải Hoá cho ra
đời gói ph
ần mềm thiết kế kiến trúc - xây dựng

4.2 QÚA TRÌNH THIẾT KẾ

Có thể nói quá trình thiết kế là một quá trình lặp, gồm các bước cơ bản sau :
1. Phát hiện nhu cầu.
2. Xác định vấn đề.
3. Tổng hợp.
4. Phân tích và tối ưu hoá.
5. Đánh giá.
6. Thể hiện.
• Phát hiện nhu cầu là bước đầu tiên, thường do một người nào đ
ó phát hiện ra,
đôi khi bất ngờ, rằng ở một nơi nào đó có một vấn đề cần xem xét, sửa chữa, bổ
sung. Nó có thể là một nhược điểm của một cỗ máy đang sử dụng do người kỹ sư
nhận ra, cũng có thể là một nhu cầu mới của khách hàng do người tiếp thị nhận
biết được.
• Xác nhận vấn đề liên quan đế
n việc xác định đặc tính kỹ thuật tổng quát của mặt
hàng sẽ được thiết kế ra, gồm: các đặc tính và chức năng, giá thành, chất lượng,
vận hành
• Tổng hợp và phân tích là hai bước liên quan mật thiết với nhau và có tính lặp
cao trong quá trình thiết kế. Một chi tiết hay một bộ phận cấu thành một sản
phẩm hoàn chỉnh như một máy chẳng hạn, sẽ đượ


Hình 4.1. Quá trình thiết kế

Theo truyền thống, công tác thiết kế kỹ thuật được tiến hành trên bàn vẽ trong đó bản
thiết kế được thiết lập dưới dạng các bản vẽ kỹ thuật. Tuỳ theo từng lĩnh vực mà bản thiết
kế có những yêu cầu riêng, chẳng hạn thiết kế cơ khí, ngoài bản vẽ t
ổng thể, các bản vẽ chi
tiết và các bản vẽ cụm, còn kèm theo bản vẽ dụng cụ cắt gọt và đồ gá để chế tạo ra sản
phẩm. Thiết kế điện gồm các sơ đồ mạch, đặc tính kỹ thuật của các linh kiện điện tử v.v
Bản thiết kế của các lĩnh vực khác như xây dựng, hoá chất, chế tạo máy bay, ngoài đặc
đi
ểm chung cơ bản, cũng có những nét đặc thù riêng như vậy. Trong từng lĩnh vực nói trên,
phương pháp tiếp cận truyền thống là tổng hợp một bản thiết kế sơ bộ theo cách thủ công rồi
mới qua phân tích dưới một dạng nào đó. Bước phân tích này có thể gồm những bản tính
toán kỹ thuật phức tạp hoặc phải qua đánh giá hoàn toàn chủ quan về phương diện th

được. Mô hình toán học cho phép hình ảnh của đối tượng có thể hiển thị và thao tác trên
màn hình máy tính thông qua tín hiệu lấy từ CPU của hệ
CAD. Phần mềm đồ hoạ phải được
thiết kế sao cho thuận tiện và có hiệu quả với máy tính và cả người sử dụng.

Quá trình thiết kế Thiết kế có hỗ trợ của CAD
Hình 4.2. Ứng dụng máy tính vào quá trình thiết kế

Trong lĩnh vực mô hình hoá hình học, người thiết kế xây dựng những hình ảnh của

Vẽ tự động
C4 CAD- CAM> CO SO CAD 6 GVC NGUYỄN THẾ TRANH

1. Mô hình khung dây. Đây là dạng cơ bản để thể hiện đối tượng tức là vật thể. Theo
phương pháp thể hiện này, vật thể được hiển thị lên màn hình thành những nét liền liên kết
với nhau. Mô hình khung dây được chia ra thành 3 loại tuỳ theo khả năng của hệ ICG:
a. 2D hay đồ hoạ 2 chiều dùng cho đối tượng 2 chiều.
b. 2
1/2
D để thể hiện những đối tượng 3 chiều đơn giản như trụ, lập phương.
c. 3D hay đồ hoạ 3 chiều thể hiện những đối tượng 3 chiều phức tạp.

Để tăng khả năng thể hiện một đối tượng phức tạp, mô hình khung dây được mở rộng
ra thành loại có nét khuất và loại không có nét khuất. Ngoài ra, mô hình khung dây còn có
một biến thể nửa cho phép thể
hiện bề mặt theo cáh làm cho người quan sát có cảm nhận là
vật thể đặc. Tuy vậy vật thể vẫn được lưu trữ trong máy tính dưới dạng mô hình khung dây.

2. 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.

3. Đồ hoạ màu là khả năng thú vị mà ngày nay hệ CAD nào cũng có. Nhờ
có màu
mà hình ảnh được hiển thị lên màn hình mang nhiều nội dung thông tin hơn, nó giúp cho
các chi tiết trong một bản vẽ lắp trở nên dễ phân biệt, làm nổi bật những kích thước quan
trọng hoặc những bộ phận chủ chốt và nhiều lợi ích khác nữa.

4.3.2. Phân tích kỹ thuật.

Khi triển khai một đồ án thiết kế kỹ thuật thường cần đến một sự phân tích nào đó

độ chuẩn xác thiết kế và sự đúng đắn của việc lựa chọn kết cấu, mối ghép,v.v
C4 CAD- CAM> CO SO CAD 7 GVC NGUYỄN THẾ TRANH

Việc kiểm tra độ chuẩn xác thiết kế nếu được thực hiện trên màn hình đồ hoạ thì rất
thuận tiện và có hiệu quả. Các khả năng của phần mềm về tự động ghi kích thước và cho
dung sai ở những nơi người thiết kế yêu cầu khiến cho những sai sót trong việc ghi kích
thước lên bản vẽ được giảm đi rất nhiều. Người thiết kế cũng có thể
thu nhỏ hay phóng to
một chi tiết nào đó để xem xét cận cảnh.

2. Đánh giá nhằm xem xét sản phẩm nếu được chế tạo theo bản thiết kế thì có đạt
được các chỉ tiêu về động học, thao tác vận hành v.v như ban đầu đề ra không. Nét đặc
trưng của các hệ CAD hiện đại là khả năng đánh giá động học, là khả năng hoạt hoá chuyển
động của các cơ cấu trong b
ản thiết kế như khớp treo, các khâu truyền động, đồng thời giúp
người thiết kế kiểm tra độ lấn của các phần tử khi chuyển động để khắc phục.

4.3.4. Vẽ tự động.
Vẽ tự động là dùng máy vẽ để tạo ra bản vẽ kỹ thuật trên giấy, trực tiếp từ cơ sở dữ
liệu của hệ CAD. Khi giá thành của mộ
t hệ CAD còn khá cao thì việc một phòng thiết kế có
vẽ tự động là còn phải cân nhắc, nhưng khi giá thành đó hạ xuống thi việc vẽ tự động ngày
càng trở nên phổ biến ở các cơ sở thiết kế.

Một hệ CAD thường cho phép tăng năng suất trong khâu xuất bản vẽ lên gấp năm
đến mười lần so với vẽ thủ công. Hơn thế nữa, nó còn có nhi
ều ưu điểm về xử lý đồ hoạ như
tự động ghi kích thước và mặt cắt, thu phóng bản vẽ, đặc tả từng phần hình vẽ hoặc quay vật
thể theo một góc tự chọn. Nó còn cho phép chuyển đổi hình chiếu, chẳng hạn từ chiếu song
song sang chiếu phối cảnh.


C4 CAD- CAM> CO SO CAD 8 GVC NGUYỄN THẾ TRANH

Ngày nay với hệ tích hợp CAD/CAM, một mối liên kết trực tiếp giữa hai lĩnh vực
thiết kế và chế tạo đã được thiết lập. Mục tiêu của CAD/CAM không dừng lại ở chỗ tự động
hoá một số khâu nào đó trong lĩnh vực chế tạo mà còn nhằm tự động hoá việc chuyển đổi từ
lĩnh vực thiết kế vào lĩnh vực chế tạ
o. Hiện người ta đã triển khai những hệ thiết kế - chế tạo
lấy máy tính làm nền tảng để tạo ra hầu hết dữ liệu và hồ sơ tư liệu phục vụ cho việc lập kế
hoạch và điều khiển các hoạt động sản xuất ra sản phẩm.
Cơ sở dữ liệu chế tạo là một cơ sở dữ liệ
u tích hợp CAD/CAM. Nó bao gồm tất cả
những dữ liệu về sản phẩm có được qua giai đoạn thiết kế (số liệu về hình học, liệt kê chi
tiết, dự trù vật liệu, thuyết minh kỹ thuật, v.v ) cúng những dữ liệu bổ sung cần cho giai
đoạn chế tạo mà đa số là dựa vào bản thiết kế.

CAD CAM


Á HH
PHÂN TÍCH
K
Ỹ TH
UẬ
T
RÀ SOÁT
ĐÁNH GIÁ
TK
VẼ
T
Ự
Đ
ỘNG
ĐỒ HOẠ
TƯƠNG TÁC
TK DAO &
Đ
Ồ

G
Á
LT ĐK SỐ
(NC)
TK QTCN NHỜ
MÁY TÍNH

KH &
TIẾ
N

Năng suất cao giúp cho vị thế cạnh tranh của m
ột 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 phứ
c tạp của bản vẽ kỹ thuật
• Mức độ tỉ mỉ của bản vẽ
• Mức độ lặp đi lặp lại của chi tiết hay bộ phận được thiết kế
• Mức độ đối xứng của bộ phận được thiết kế
• Tính dùng chung của các chi tiết để lập thư viện.

2. Gi
ảm thời gian chỉ dẫn

Thiết kế với hệ CAD nhanh hơn thiết kế theo cách truyền thống, đồng thời nó cũng
đẩy nhanh các tác vụ lập biểu bảng và báo cáo (lập các bảng liệt kê cụm lắp ghép chẳng
hạn) mà trước đây phải làm bằng tay. Do vậy, một hệ CAD có thể tạo ra một tập bản vẽ
cuối cùng về các chi tiết máy và các báo cáo, biểu bảng kèm theo một cách nhanh chóng.
Thời gian ch
ỉ 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.

3. 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

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 bả
n 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 d
ữ 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.

5. 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 dấ
u 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 đổ
i 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.

6. Tiêu chuẩn hoá các thủ tục thiết kế, lập bản vẽ và lập tư liệu

Trong một hệ CAD, ch

Các bản vẽ và các tư liệu gốc được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu của hệ CAD. Điều đó
cho phép truy nhập dễ hơn là khi chúng được cất trong kho lưu trữ thông thường, cho phép
kiểm tra lại chúng một cách nhanh chóng dựa theo những thông tin mới. Do việc lưu trữ dữ
liệu là rất đảm bảo nên các thông tin quá khứ
trong các bản vẽ trước kia vẫn rất dễ dàng lưu
lại trong cơ sở dữ liệu của hệ CAD, thuận tiện cho việc so sánh với những yêu cầu của bản
vẽ hay bản thiết kế mới. 9. 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 k
ế hoạch tay máy người máy.
• Lập công nghệ nhóm

Tất cả những lợi ích này có được là nhờ cơ sở dữ liệu do hệ CAD/CAM tạo ra mà
khởi đầu là những dữ liệu được tạo ra từ giai đoạn CAD.