1

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Giới thiệu phần mềm FreeCAD
Hình 1.2. Thiết kế chi tiết trên phần mềm FreeCAD
Hình 1.3. Thiết kế, tính toán chi tiết trên phần mềm FreeCAD
Hình 1.4. Giao diện ban đầu khi khởi động Freecad
Hình 1.5. Thanh công cụ của FreeCAD
Hình 1.6. Vùng truy cập nhanh của FreeCAD
Hình 1.7. Thanh Combo View
Hình 1.8. Giao diện Part Design
Hình 1.9. Menu truy cập nhanh
Hình 1.10. Hộp thoại chỉ thông tin chi tiết
Hình 2.1.Giao diện khi thiết kế Sketch
Hình 2.2. Thiết kế một số biên dạng đơn giản
Hình 2.3. Giao diện khi làm việc với Draft
Hình 2.4. Hình ảnh khi làm việc với Part Design
Hình 2.5. Minh họa khi tạo bản phác thảo
Hình 2.6. Minh họa khi tạo một vật thể 3D
Hình 2.7. Minh họa chi tiết sau khi sử dụng các lệnh chỉnh sửa
Hình 2.8. Giao diện khi làm việc với Part
Hình 2.9. Minh họa một số chi tiết khi thiết kế với Part
Hình 2.10. Thiết kế Bánh răng
Hình 2.11. Bản vẽ tiêu chuẩn sau khi được thiết lập
Hình 2.12. Các tùy chọn khi xuất các hình chiếu 2D
Hình 2.13. Bản vẽ khi chưa có kích thước
Hình 2.14. Hình vẽ khi đã ghi kích thước
Hình 2.15. Dầm đơn giản ban đầu
Hình 2.16. Chọn vật liệu cho dầm

23
24
25
26
27
29
29
30
30
31
32
32
33
34
34
35
36
36
37
37
37
37
39
40


2

Hình 3.3. Bản vẽ trục bánh xuất từ mô hình 3D
Hình 3.4. Mô hình 3D bánh xe


Two Dimension
Three Dimension
Computer-aided design
Computer-aided manufacturing
Computer-aided engineering
Computer-aided technologies
Computer numerical control
Product lifecycle management


4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng phần mềm thiết kế 3D mã nguồn mở FreeCAD
trong quá trình thiết kế một số chi tiết đầu máy, toa xe.
- Sinh viên thực hiện:
Phan Trần Minh Đạt
Nguyễn Đức Thông
Trần Văn Quỳnh
- Lớp: Tàu điện - Metro - K56

Khoa: Cơ khí

Năm thứ: 2

Số năm đào tạo: 4

tiễn cao trong quá trình hội nhập. Giúp giảm chi phí đào tạo. Hơn thế nữa, vì đây là
phần mềm mã nguồn mở do đó nếu được đưa vào nghiên cứu có thể cải thiện, nâng
cấp phần mềm có nhiều tính năng phù hợp và tiện lợi cho từng chuyên ngành. Thậm
chí, nếu được đầu tư nghiên cứu hoàn thiện thì phần mềm này hoàn toàn có thể thương
mại hóa theo đúng giấy phép mã nguồn mở của phần mềm. Đây cũng là xu hướng đã
và đang được các trường đại học ở các nước tiên tiến thực hiện.
6. Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ họ tên
tác giả, nhan đề và các yếu tố về xuất bản nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở
đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):
Ngày 14 tháng 04 năm 2017
Sinh viên chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(ký, họ và tên)

Phan Trần Minh Đạt


6

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của sinh viên thực
hiện đề tài (phần này do người hướng dẫn ghi):
Mặc dù mới là sinh viên năm thứ hai, nhóm sinh viên thực hiện đã nỗ lực để
hoàn thành được các mục tiêu của đề tài.
Ngày 14 tháng 04 năm 2017
Người hướng dẫn
(ký, họ và tên)

Nguyễn Đức Toàn





8


9

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN GIỚI THIỆU PHẦN MỀM FREECAD
1.1.

Giới thiệu về phần mềm FreeCAD

FreeCAD là phần mềm thiết kế 2D, 3D, CAD chuyên nghiệp, từ đơn giản như vẽ
2D đến phức tạp như mô phỏng chuyển động, kiểm nghiệm độ bền, lập trình CNC,
cung cấp những công cụ hữu hiệu nhất, phục vụ cho công việc và học tập, đặc biệt,
đây là phần mềm hoàn toàn miễn phí và có mã nguồn mở, được đóng góp bởi cộng
đồng lập trình, kĩ sư… Hiện nay, vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu và phát triển.

Hình 1.1. Giới thiệu phần mềm FreeCAD
FreeCAD hiện đã được trang bị đầy đủ các tính năng, công cụ cơ bản tương
đồng với các phần mềm thiết kế thông dụng hiện nay như Catia, Solidworks,...


10

FreeCAD cho phép bạn thiết kế các bản vẽ CAD, CAM, CAX, CAE và PLM, phục vụ
trên đa số các lĩnh vực thiết kế như cơ khí, xây dựng, kiến trúc,…
FreeCAD được hỗ trợ các chức năng tiên tiến dựa trên cơ sở OpenCascade, một
công cụ thiết kế hình học mạnh mẽ, tính năng thiết kế mô hình 3D được cung cấp bởi

Với nhân đồ họa dựa trên công nghệ Open CASCADE, phần mềm này cho
phép hoàn thiện các vật thể 3D phức tạp như đường cong, mặt phẳng hoặc các thực thể
hình học dựa trên cơ sở hỗ trợ các định dạng file tương thích với các phần mềm 3D
khác như STEP hay IGES .


12

Một mô hình tham số hoàn thiện. Tất cả các vật thể trong FreeCAD thực chất
được tạo bởi các tham số, mọi điểm thuộc vật thể đều có ràng buộc với nhau hoặc
thậm chí là ràng buộc với vật thể khác. Điều này có nghĩa rằng thay đổi tại một điểm
sẽ gây ra thay đổi tại các điểm khác và ta có thể tùy chọn giữ lại hoặc hủy thay đổi đó.
Trong FreeCAD, một vật thể còn có thể được tạo bởi mã lập trình của ngôn ngữ mà
FreeCAD sử dụng là Python.

Một kiến trúc mô đun cho phép thêm chức năng vào các ứng dụng lõi. Các chức
năng mở rộng này có thể sẽ được lập trình bằng ngôn ngữ C++ hoặc đơn giản là ngôn
ngữ Python hoặc chương trình sao chép macros.

Nhập hoặc xuất các file bản vẽ với các định dạng phổ biến như STEP, IGES,
OBJ, STL, DXF, SVG, STL, DAE, IFC hoặc OFF, NASTRAN, VRML với điều kiện
là các file phải tương thích với dạng file gốc của FreeCAD là Fcstd. Độ tương thích
khi đọc một file trên FreeCAD còn phụ thuộc vào định dạng của file và mô đun thực
hiện đọc.

Mô đun vẽ phác thảo với các công cụ hỗ trợ cho phép phác thảo hình dạng của
vật thể, hoặc vẽ phác hình dạng của vật thể rồi thực hiện xây dựng chi tiết từ hình dạng
đã dựng.

Tính năng mô phỏng chuyển động của Robot cho phép nghiên cứu chuyển động


b. Vùng truy cập nhanh
Đây là miền giúp truy cập nhanh các chức năng thường sử dụng nhất như Part
Design, Architectural Design, …, mở các file gần đây, nhận những thông báo về cập
nhật mới của phần mềm hoặc truy cập vào trang chủ của FreeCAD.

Hình 1.6. Vùng truy cập nhanh của FreeCAD
c. Thanh Hiển thị tích hợp (Combo View)
Đây là thanh cho biết chế độ hiện đang làm việc, thứ tự các lệnh đã thực hiện, kích
thước của chi tiết, từ đó có thể biết trình tự thiết kế hoặc chỉnh sửa chi tiết một cách dễ
dàng.


15

Hình 1.7. Thanh Combo View
-

Giao diện các chế độ làm việc (Workbenchs)

Hình 1.8. Giao diện Part Design
Cũng tương tự như giao diện của phần giao diện mở đầu, vùng 1 và vùng 3 có
chức năng như đã nêu. Vùng 2 chính là không gian thiết kế, toàn bộ hình ảnh của chi
tiết sẽ được thể hiện trong vùng này.
Giao diện của các workbench khác cũng hoàn toàn tương tự.
1.1.2. Giới thiệu các chức năng cơ bản.
a. Tạo, mở và lưu trữ 1 file.


16

1. Chọn File trên vùng 1 , sau đó chọn Save hoặc Save as,… tùy theo nhu cầu.
2. Click chuột trực tiếp vào biểu tượng

trên vùng 1.

b. Cách sử dụng vùng Combo View (vùng 3)
Đây là vùng cho biết trình tự đang thiết kế, từ đó có thể theo dõi trình tự cũng như sửa
lỗi hoặc khắc phục sau khi đã hoàn thành việc thiết kế.


17
-

Trình tự thiết kế là tổ hợp dòng lệnh đi từ trên xuống dưới, tại mỗi dòng lại có

-

thêm các nhánh chỉ các nhóm lệnh đã thực hiện trong lệnh chính.
Sửa, xóa lệnh hoặc thay đổi thiết kế, kích thước,… của chi tiết bằng cách click
chuột phải vào dòng lệnh đó. Sau khi click chuột sẽ có hộp thoại hiện ra , tùy

-

vào yêu cầu mà click vào mục cần chọn.
Cũng có thể click vào hộp thoại phía dưới để chỉnh sửa kích thước, tọa độ, góc
độ,…bằng cách nhập vào số liệu cần thiết kế.

Hình 1.10. Hộp thoại chỉ thông tin chi tiết.
c. Một số thao tác với chuột và bàn phím.
Để tương tác trực tiếp với giao diện cũng như chi tiết đang thiết kế bằng chuột

Mặt phẳng vẽ phác chứa các biên dạng của vật thể. Nó có thể là các Plane hoặc
là các mặt phẳng của các vật thể có sẵn.
-

Môi trường vẽ phác thảo :

Để bắt đầu thiết kế Sketch, ta chọn workbench thiết kế là Sketcher, sau đó click vào

biểu tượng

(Creat a new sketch) rồi chọn mặt phẳng và bắt đầu quá trình thiết kế.

Hình 2.1.Giao diện khi thiết kế Sketch


19

Có thể thấy trong góc phải phía dưới màn hình là sơ đồ biểu thị mặt phẳng đang
làm việc.
2.1.2. Các lệnh thao tác trong Sketch
Khi thiết kế Sketch, ta có các nhóm lệnh thiết kế 2D tương ứng như Sketcher
Geometries, Sketcher Constrains, Sketcher tools,…
a. Sketcher Geometries
Là nhóm lệnh để thực hiện vẽ các hình cơ bản, gồm các lệnh cụ thể sau :
Tạo một điểm.
•
•
•

Tạo 1 đường thẳng với 2 điểm.


Point On Object : Gắn một điểm vào một đối tượng khác như một đường

thẳng, cung hay trục.
• Vertical : Đưa các đường/chuỗi đường bất kì ( trừ các đường nằm ngang

theo

phương Ox) về hướng cùng phương với Oy.
Horizontal : Đưa các đường/chuỗi đường bất kì ( trừ các đường thẳng đứng
theo phương Oy ) về hướng cùng phương với Ox.
Parallel : Chuyển các đường thẳng bất kì về dạng song song với nhau.
Perpendicular : Đưa 2 đường thẳng bất kì về dạng vuông góc với nhau.
Tangent : Tạo tiếp tuyến chung giữa 2 thực thể
Equal Length : Đưa 2 đường thẳng về cùng một độ dài hoặc cùng đường

•

kính đối với đường tròn, đường chéo với hình chữ nhật,…
Symmetric : Tạo 2 điểm đối xứng qua 1 đường thẳng hoặc 2 điểm đối xứng qua

•

điểm thứ 3.
- Có liên kết với dữ liệu số.
• Lock : Cố định vật thể, gắn vào số liệu của tọa độ ban đầu. Số liệu này có thể
hiệu chỉnh lại sau.
• Horizontal Distance : Chọn trực tiếp chiều rộng của vật thể bằng cách nhập số
liệu, có thể chọn 1 đường hoặc 2 điểm đầu , cuối.
• Vertical Distance : Chọn trực tiếp chiều cao của vật thể bằng cách nhập số liệu,

cạnh đó, phần mềm còn cung cấp rất nhiều công cụ để chỉnh sửa vật thể theo nhu cầu.
Một vài công cụ chỉnh sửa của mô đun này còn có thể hoạt động trên các mô đun khác
mà vẫn đảm bảo phần mềm hoạt động ổn định.
Về các nhóm lệnh, mô đun này có 3 nhóm lệnh chính là: Nhóm lệnh vẽ vật thể,
nhóm lệnh hiệu chỉnh vật thể và nhóm các công cụ tiện ích. Sau đây sẽ giới thiệu chi
tiết về các nhóm lệnh này.
2.2.1. Nhóm lệnh vẽ (Drawing objects)
Đây là nhóm lệnh để tạo ra vật thể.
Line : Lệnh tạo đường thẳng khi có 2 điểm đầu và cuối.
•
•
•
•
•

Wire: Lệnh tạo một chuỗi đường thẳng nối tiếp nhau.
Circle: Lệnh tạo một đường tròn với tâm và bán kính cho trước.
Arc : Lệnh tạo một cung tròn với tâm, bán kính, góc chắn cung cho trước.
Ellipse : Lệnh tạo đường elip đi qua 2 điểm cho trước.
Polygon : Lệnh tạo một ngũ giác với tâm và một đỉnh bất kì cho trước. Ngoài

•
•
•
•
•

ra, còn có các lệnh tương tự để tạo đa giác nhiều cạnh hơn.
Text : Lệnh chèn chú thích cho hình vẽ.
Dimension : Lệnh để ghi kích thước cho bản vẽ.


•
•

Deletepoint giúp xóa bớt điểm trên một vật thể.
Shape 2D view : Xuất hình chiếu 2D từ một vật thể 3D.
Mirror : Lệnh đối xứng một đối tượng đã chọn qua một điểm hoặc đường

thẳng.
• Array : Lệnh sao chép một đối tượng thành nhiều đối tượng và sắp xếp theo thứ
tự tùy ý.
2.2.3. Nhóm công cụ (Utility tools)
Đây là nhóm công cụ được tích hợp sẵn trong vật thể khi ta click chuột phải
vào vật thể, chính vì vậy, mỗi vật thể khác nhau sẽ có những công cụ khác nhau.
•

Set working plane : Chọn mặt phẳng cần làm việc khi đang ở chế độ xem 3D

hoặc một mặt phẳng nào đó.
• Finish line : Kết thúc vẽ Line, Bspline,… sau khi đã vẽ xong mà không thoát
•
•
•
•
•

lệnh.
Close line : Kết thúc vẽ Line. Bspline,…sau khi vẽ xong và thoát luôn lệnh.
Undo line : Hoàn tác một đường thẳng vừa vẽ của một vật thể.
Toggle line : Bật hoặc tắt chế độ Draft.

rãnh ) ta có thể thực

hiện gần như mọi thao tác đối với một bản vẽ .
Các bước để thực hiện một bản vẽ Part Design
1. Chuyển sang Part Design Workbench
2. Chọn hình phác thảo đã thực hiện.

3. Chọn Pad
4. Chọn độ dày theo nhu cầu
5. Chọn Ok

Ngoài ra, một cách khác để tạo hình học 3D là sử dụng
các bước như sau :

Hình 2.5. Minh họa khi tạo bản phác thảo

(Revolution) với


25
1. Tạo bản vẽ phác thảo.

2. Chọn Revolution

.

3. Chọn trục cần xoay vật thể.
4. Chọn góc để quét vật thể, thường với vẽ 3D, ta chọn góc quét bằng 360°.
-