1  

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Biên soạn: TS.BÙI NGỌC TUYÊN

Bài giảng

ỨNG DỤNG CAD/CAM/CAE/CNC TRONG CƠ KHÍ

Hà nội, 2011

2  

Bài mở đầu

TỔNG QUAN VỀ CAD/CAM/CAE/CNC

Các thuật ngữ:

CG= Computer Graphics

CAD = Computer Aided Design

CAM = Computer Aided Manufacturing

CAE = Computer Aided Engineering

CAPP = Computer Aided Production Process

CNC = Computer Numerical Control

I. Lịch sử phát triển của CAD/CAM/CAE/CNC

1.1. Lịch sử phát triển của CAD/CAM/CAE

Nhờ sự phát triển của công nghệ máy tính, các nhà sản xuất muốn tự động quá trình thiết kế

và muốn sử dụng cơ sở dữ liệu này cho qúa trình tự động sản xuất. Đây là ý tưởng cho ngành

khoa học CAD/CAM ra đời. CAD/CAM được hiểu là sử dụng máy tính trong quá trình thiết

kế và sản xuất hay theo thuật ngữ tiếng Anh là máy tính trợ giúp thiết kế và sản xuất. Từ sự ra

đời của CAD/CAM các lĩnh vực khác của việc ứng dụng máy tính cũng đã phát triển theo

như: CG, CAE, CAPP,..

Tất cả những lĩnh vực sinh ra đó đều liên quan tới những nét đặc trưng của quan niệm về

CAD/CAM. CAD/CAM là một lĩnh vực rộng lớn nó là trái tim của nền sản xuất tích hợp và

tự động .

Lịch sử phát triển của CAD/CAM gắn liền với sự phát triển của công nghệ máy tính và kỹ

thuật đồ hoạ tương tác (ICG). Cuối 1950 đầu 1960 CAD/CAM có những bước phát triển

đáng kể, khởi đầu có thể nói là tại Massachusetts Institute of Technology (MIT) - Mỹ với

ngôn ngữ lập trình cho máy tính APT (Automatically Programmed Tools). Mục đích của

APT là để lập trình cho máy điều khiển số, nó được coi như là một bước đột phá cho tự động

hoá quá trình sản xuất.

Những năm 1960 đến 1970 CAD tiếp tục phát triển mạnh, hệ thống turnkey CAD được

thương mại hoá, đây là một hệ thống hoàn chỉnh bao gồm phần cứng, phần mềm, bảo trì và

đào tạo, hệ thống này được thiết kế chạy trên mainframe và minicomputer. Tuy nhiên khả

năng xử lý thông tin, bộ nhớ và ICG của mainframe và minicomputer hạn chế nên các hệ

CAD/CAM thời kỳ này kém hiệu quả, giá thành cao và chỉ được sử dụng trong một số rất ít

lĩnh vực.

3  

Năm 1983 máy tính IBM-PC ra đời, đây là thế hệ máy tính lý tưởng về khả năng xử lý thông

tin, bộ nhớ, đồ hoạ cho CAD/CAM. Điều này tạo điều kiện cho các hệ CAD/CAM phát triển

rất nhanh chóng.

Cuối những năm 1990 là thời kỳ CAD/CAM đạt đến những thành tựu đáng kể, rất nhiều phần

mềm đồ sộ được tung ra thị trường và ứng dụng rộng rãi trong thiết kế và sản xuất của nhiều

ngành công nghiệp.

Hiện nay các phần mềm CAD/CAM nổi tiếng đang có mặt trên thị trường như:

CIMATRON- Israel

DELCAM- Anh

Pro-Engineer- Mỹ

Uni-Graphics- Mỹ

SURFCAM- Mỹ

MasterCAM-Mỹ

...

Phần mềm CAE xuất hiện sau CAD/CAM, khi mà những đòi hỏi về chất lượng của

sản phẩm rất cao. Việc phân tích mô hình sau thiết kế được thực hiện nhờ CAE. CAE đã làm

cho công việc phân tích trở nên đơn giản hơn nhiều so với toán học thông thường và cho kết

quả đáng tin cậy trong một thời gian nhanh chóng, nhờ vào kết quả đó mà người thiết kế sẽ

hiệu chỉnh lại thiết kế cho phù hợp. Tuỳ theo tính năng và yêu cầu của chi tiết mà sự phân

tích có thể là những quá trình sau:

Phân tích nhiệt, áp suất, ứng suất, biến dạng, cong vênh, khả năng điền đầy khuôn,

quá trình đông đặc...

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một công cụ toán học quan trong trong các

bài toán phân tích. Phương pháp này chia tự động chi tiết thành nhiều phần nhỏ hình tam giác

hay chữ nhật nối tiếp nhau rồi phân tích từng phần nhỏ đó. Kết quả của quá trình phân tích có

thể là một bảng báo cáo (report), một bức tranh điền đầy hay một mô hình chi tiết đã bị cong,

hay biến dạng được đặt trùng với mô hình lý thuyết, từ đó người thiết kế sẽ nhìn thấy những

vị trí biến dạng cực đại và điều chỉnh thiết kế. Ví dụ: Moldex (Taiwan) và Mold-flow

(Australia) là các phần mềm CAE chuyên dụng hỗ trợ cho tính toán thiết kế khuôn nhựa. Các

phần mềm này sử dụng để phân tích quá trình điền đầy khuôn, cong vênh, nhiệt, áp xuất.

ANSYS là phần mềm CAE chuyên dùng cho phân tích ứng suất và biến dạng,.. hỗ trợ cho

quá trình tính toán thiết kế các chi tiết, kết cấu cơ khí,..

1.2. Lịch sử phát triển của CNC

Vào cuối những năm 40 học viện công nghệ MIT Hoa Kỳ bắt đầu thực hiện đề án nghiên cứu

về kỹ thuật điều khiển số. Năm 1953 công bố sáng chế máy phay điều chỉnh theo chương

4  

trình số NC. Vào năm 1959 triển lãm máy công cụ tại Paris trưng bày những chiếc máy phay

NCs đầu tiên của châu Âu.

Năm 1960 các hệ điều khiển số được chế tạo tương ứng với trình độ kỹ thuật của các công

nghệ bóng đèn điện tử và rơle (cơ/điện/thuỷ lực), máy kích thước lớn, rất nhạy cảm với các

điều kiện môi trường khác nhau và giá cả thì rất đắt đỏ. Vì vậy máy không được sử dụng rộng

rãi.

Từ sau những năm 1960, bóng đèn điện tử được thay dần bằng các phần tử bán dẫn rời rạc, đi

ốt, và tranzito ( đèn 3 cực), thế nhưng những linh kiện đơn lẻ vẫn đòi hỏi có thể tích chiếm

chỗ đủ lớn, còn rất nhiều mối hàn và các ổ cắm, các ghép nối vừa tốn kém khi chế tạo vừa

hạn chế độ tin cậy khi vận hành điều khiển. Những thông tin điều khiển được ghi trên băng

đục lỗ nên dung lượng thấp và phải đọc từng bước trong quá trình gia công, khi gia công

nhiều chi tiết giống nhau vẫn phải đọc băng đục lỗ cho từng lần gia công. Khi thay đổi

chương trình điều khiển chẳng hạn như muốn thay đổi chế độ cắt cho phù hợp đòi hỏi phải

làm lại băng đục lỗ.

Vào những năm 70, kỹ thuật điều khiển số nhanh chóng ứng dụng các tiến bộ của kỹ thuật vi

điện tử, vi mạch tích hợp: những hệ NC sử dụng những bản mạch lôgíc được thay thế bởi các

bộ nhớ có dung lượng đủ lớn; do nối ghép các cụm vi tính vào hệ điều khiển số mà những

phần cứng trước đây được thay thế bằng những phần mềm linh hoạt hơn. Dung lượng bộ nhớ

ngày càng được mở rộng tạo điều kiện lưu giữ trong hệ điều khiển số trước hết là từng

chương trình đơn lẻ, sau đó là cả một thư viện chương trình lại có thể sửa đổi chương trình đã

lập một cách dễ dàng thông qua việc cấp lệnh bằng tay, thao tác trực tiếp trên máy.

Cho đến ngày nay các chức năng tính toán trong hệ thống CNC ngày càng được hoàn thiện và

đã đạt được tốc độ sử lý rất cao do tiếp tục ứng dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật phát

triển của các bộ vi xử lý μP. Các hệ thống CNC được chế tạo hàng loạt theo các công thức xử

lý đa chức năng dùng cho nhiều mục đích điều khiển khác nhau.

Từ chỗ những vật mang tin là những băng đục lỗ, băng từ, đĩa từ tiến tới đĩa compact (đĩa

CD) có dung lượng nhớ ngày càng mở rộng độ tin cậy và tuổi thọ ngày càng cao.

Việc cài đặt các cụm vi tính trực tiếp vào hệ NC để trở thành CNC (Computer Numerical

Control) đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng, cho chúng ta có thể ứng dụng được

máy công cụ điều khiển số CNC ngay cả trong các xí nghiệp vừa và nhỏ không có phòng lập

trình riêng, điều đó có nghĩa là người điều khiển máy có thể lập trình trực tiếp trên máy.

Những dữ liệu được nhập vào, nội dung lưu trữ trên máy, thông báo về tình trạng hoạt động

của máy cùng các chỉ dẫn cần thiết khác cho người điều khiển máy đều được hiển thị trên

màn hình.

5  

Lúc đầu màn hình của các hệ điều khiển số chỉ là màn hình đen trắng với các ký tự chữ cái và

con số nay đã sử dụng các màn hình mầu đồ hoạ với độ phân giải cao, biên dạng của chi tiết

gia công, chuyển động của dao cụ đều được hiển thị, có thể mô phỏng chi tiết gia công theo 3

chiều kích thước (3D).

Trong những năm gần đây sự bùng nổ của ngành công nghệ thông tin, sự phát triển của công

nghệ High-Tech ngày càng tạo ra được những thế hệ máy công cụ điều khiển số ngày càng

ưu việt hơn, đáp ứng được những yêu cầu cao của thị trường.

Ngoài những ưu điểm cơ bản của máy và công nghệ CNC như độ chính xác cao của sản

phẩm, đáp ứng nhanh về số lượng và thích ứng nhanh với thị trường về mẫu mã sản phẩm thì

những ưu điểm nổi bật chỉ có ở máy CNC nữa là phương thức làm việc với hệ thống xử lý

thông tin “điện tử-số hoá”, cho phép nối ghép với hệ thống xử lý trong phạm vi toàn xí

nghiệp tạo điều kiện mở rộng việc tự động hoá toàn bộ quá trình sản xuất, ứng dụng các kỹ

thuật quản lý hiện đại thông qua mạng liên thông cục bộ (LAN) hay mạng liên thông toàn cầu

(WAN).

Xét về bản chất của các máy điều khiển theo chương trình số, từ các máy NC đầu tiên với bộ

xử lý là được áp dụng công nghệ đèn điện tử, rơle đến các phần tử bán dẫn rời rạc, điốt, và

tranzito ( đèn 3 cực ) và sau đó là đã áp dụng các tiến bộ của kỹ thuật vi điện tử, vi mạch tích

hợp và siêu vi mạch cũng chỉ là để sử lý các hệ thống dữ liệu đầu vào cho hệ thống điều

khiển số.

II. Mối liên kết giữa CAD/CAM/CAE/ CNC

Để tìm hiểu bản chất mối liên kết giữa CAD-CAM-CAE-CNC, ta có thể khảo sát một chu kỳ

sản phẩm điển hình.

Chu kỳ sản phẩm bắt đầu từ nhu cầu sản phẩm được xác định trên cơ sở yêu cầu của khách

hàng và thị trường. Chu kỳ sản phẩm được thực hiện qua hai quá trình chính từ sự khởi đầu

của nó cho đến sản phẩm hoàn thiện: quá trình thiết kế và quá trình sản xuất, chế tạo. Qúa

trình thiết kế lại bao gồm hai quá trình con là tổ hợp và phân tích. Triết lý, chức năng, tính

duy nhất của sản phẩm được xác định trong quá trình tổ hợp. Trong quá trình này, thiết kế

được thực hiện ở dạng các phác thảo và bản vẽ mô tả quan hệ giữa các chi tiết của sản phẩm.

Các bản vẽ và phác thảo này có thể được tạo ra bằng các hệ thống CAD/CAM hoặc vẽ bằng

tay. Chúng được thực hiện thông qua các trao đổi thảo luận giữa các thành viên trong nhóm

thiết kế. Qúa trình phân tích bắt đầu với việc cố gắng đặt thiết kế ý tưởng vào ngữ cảnh khoa

học, kỹ thuật để đánh giá hiệu quả của sản phẩm mong đợi. Qúa trình này đòi hỏi phải mô

hình hóa và mô phỏng cũng như thực hiện các phân tích kỹ thuật (CAE) để tìm ra giải pháp

thiết kế tối ưu. Phân tích kỹ thuật có thể được thực hiện bằng chính mo dun CAE tích hợp

ngay trong hệ thống CAD/CAM hoặc bằng cách sử dụng phần mềm CAE chuyên dụng khác.

6  

Qúa trình sản xuất bắt đầu bằng lập kế hoạch quá trình và kết thúc là sản phẩm thực. Lập kế

hoạch quá trình được xem là xương sống của quá trình sản xuất vì nó cho phép xác định được

trình tự hiệu quả nhất để chế tạo ra sản phẩm. Kết quả đầu ra của lập kế hoạch quá trình là

quy trình sản xuất, tìm kiếm được dụng cụ, đặt đơn hàng vật liệu và lập trình gia công.

Chương trình gia công NC được tạo ra bằng hệ thống CAD/CAM là dữ liệu đầu vào cho các

thiết bị CNC thực hiện quá trình sản xuất, kiểm tra chất lương,..

Qua phân tích như trên, có thể thấy rằng CAE là một phần của quá trình CAD và CNC là một

phần của CAM. CAE và CNC nằm trong tổng thể của quá trình CAD/CAM.

Thông qua chu trình sản phẩm có ứng dụng công nghệ CAD/CAM ở trên ta cũng thấy được

vai trò quan trọng của CAD/CAM trong nền sản xuất kinh tế thị trường hiện nay trên toàn thế

giới. Các lợi ích cơ bản mà CAD/CAM đem đến là:

Qúa trình CAM

Qúa trình sản xuất

Qúa trình thiết kế

Nhu cầu thiết kế Định nghĩa thiết kế, các tiêu chuẩn, quy định và yêu cầu

Thu thập các thông tin thiết kế tương tự và nghiên cứu tính khả thi

ý tưởng hóa thiết kế

Mô hình hóa & mô phỏng thiết kế

Phân tích thiết kế

Tối ưu hóa thiết kế

Đánh giá thiết kế

Thông tin và tài liệu thiết kế

Lập kế hoạch quá trình

Lập kế hoạch SX

Thiết kế và tìm kiếm dụng cụ mới

Đặt mua vật liệu

Lập trình NC,CNC,DNC

Sản xuất Kiểm tra chất lượng

Bao gói Vận chuyển

Marketing

Qúa trình CAD

Hình 1. Chu trình sản phẩm

7  

1. Nâng cao năng suất

2. Nâng cao chất lượng

3. Nâng cao khả năng trao đổi thông tin

4. Tạo ra một CSDL dùng chung

5. Giảm chi phí tạo mẫu

6. Đáp ứng nhanh với yêu cầu của thị trường

III. Cấu trúc chung của hệ thống CAD/CAM

Chu trình sản phẩm trình bày ở trên là cơ sở để xác định phạm vi của CAD/CAM, Qúa trình

CAD là một phần của quá trình thiết kế , còn quá trình CAM là một phần của quá trình sản

xuất. Hạt nhân của các quá trình CAD và CAM là mô hình hình học của sản phẩm được thiết

kế. Các hoạt động của quá trình CAD bao gồm cả thuộc tính khối lượng, FEA, định kích

thước, dung sai,mô hình hóa lắp ráp, tạo ảnh tô bóng, các tài liệu và bản vẽ. Các hoạt động

của quá trình CAM bao gồm CAPP, lập trình NC, ..

Mô hình hóa hình học

Đồ họa máy tính

Thiết kế

CAD

Tự động hóa CAD

Sản xuất

CAM

CAD/CAM

Thiết kế

Sản xuất

CAD Mô hình hóa hình học

Đồ họa máy tính

Tự động hóa

Hình 2: Các nguyên lý CAD /CAM

8  

Một hệ thống CAD/CAM bao gồm cả phần cứng và phần mềm. Phần cứng gồm có một máy

tính (PC hoặc Workstation) cùng với chuột, bàn phím,…Phần mềm là một chương trình máy

tính được viết bằng ngôn ngữ C hoặc C++. Một vài ngôn ngữ khác như Schem, Java cũng

được dùng để viết phần mềm. Phần mềm có giao diện với người sử dụng dạng đồ họa(GUI)

nhiều lớp cung cấp cho người sử dụng các menu, biểu tượng để thực hiện các hoạt động

CAD/CAM từ xây dựng hình học cho đến thực hiện các phân tích và tính toán.

Các hệ thống CAD/CAM đều có cấu trúc giống nhau và đều có các mô dun cơ bản sau:

Mo dun hình học hóa (geometric engine module) là trái tim của hệ thống CAD/CAM. Nó

cung cấp cho người sử dụng các chức năng mô hình hóa hình học, xây dựng, hiệu chỉnh, điều

khiển các mô hình hình học đã có, phác thảo và kết xuất tài liệu,…

Mo dun ứng dụng (applications module) sử dụng mô hình hình học cho các mục tiêu thiiết

kế và sản xuất chế tạo. Mo dun này khác nhau ở các phần mềm. Các ứng dụng cơ khí ở đây

thường gồm có: tính toán khối lượng, phân tích lắp ráp, phân tích và tổ hợp dung sai, thiết kế

tấm mỏng, mô hình hóa và phân tích phần tử hữu hạn, phân tích cơ cấu, các kỹ thuật hoạt

hình và mô phỏng, phân tích quá trình đúc & ép phun nhựa,..Các ứng dụng sản xuất bao gồm

CAPP, NC, CIM, mô phỏng robot, công nghệ nhóm.

Mo dun lập trình (programming module) cho phép người dùng sử dụng hệ thống bằng cách

lập trình nó theo các yêu cầu nhiệm vụ thiết kế và sản xuất, chế tạo.Lập trình một hệ thống

CAD/CAM đòi hỏi có các kiến thức sâu về cấu trúc hệ thống, định dạng cơ sở dữ liệu của nó,

ngôn ngữ lập trình bậc cao như C, C++, Java, Scheme,..

Mo dun kết nối,trao đổi thông tin (communications module) là cần thiết cho tích hợp hệ

thống CAD/CAM, các hệ thống máy tính khác, các thiết bị, dây chuyền sản xuất. Mo dun này

được dùng để truyền cơ sở dữ liệu CAD của một mô hình cho các mục đích phân tích, thiết

kế hay để truyền cơ sở dữ liệu CAM của nó xuống phân xưởng, thiết bị cho gia công, sản

xuất. Mo dun này cũng được dùng để trao đổi cơ sở dữ liệu giữa các hệ thống CAD/CAM

bằng cách sử dụng các tiêu chuẩn đồ họa như IGES hay STEP.

Mo dun cộng tác, phối hợp (Collaborative module) được xây dựng như là kết quả cựa phát

triển mạng toàn cấu (World Wide Web) và Internet. Mo dun này hỗ trợ cho thiết kế có tính

phối hợp. Nhiều nhóm thiết kế ở các vị trí địa lý khác nhau có thể làm việc đồng thời trên

Web trên cùng một chi tiết, một lắp ráp, hay một file bản vẽ. Một nhóm thiết kế có thể thay

đổi, điều chỉnh thiết kế, trong khi nhóm khác có thể xem và chấp nhận hay phủ nhận.

IV. Phân loại hệ thống CAD/CAM

Có thể phân loại các hệ thống CAD/CAM ra thành bốn nhóm căn cứ vào thị trường mà nó

phục vụ, các công cụ, chức năng và tính linh hoạt mà nó cung cấp. Sự phân chia này có tính

9  

tương đối, do sự phát triển không ngừng của các hệ thống CAD/CAM trong thời đại kinh tế

thị trường.Cụ thể như sau:

Các hệ thống mức thấp (Low-end systems) có xu hướng hướng tới người sử dụng có

kỹ năng bình thường và sản phẩm của họ không phức tạp. Một sản phẩm cơ bản của họ chỉ

cấu thành từ một số lượng nhỏ chi tiết với hình học không quá phức tạp. Những người sử

dụng này hướng tới mô hình hóa hình học cơ bản và phác thảo thiết kế. Thuộc về nhóm này

có các phần mềm như AutoCAD, Autodesk Inventor, CADKEY,…

Các hệ thống mức trung bình (Midrange systems) hướng tới người sử dụng có nhu

cầu cần mô hình hóa phức tạp. Số lượng chi tiết cho sản phẩm đủ lớn cho các sản phẩm khá

phức tạp. Khác với các hệ thống ở mức thấp, các hệ thống này hỗ trợ cho các ứng dụng thiết

kế và sản xuất, chế tạo. Cac hệ thống này hoặc bao trùm các ứng dụng thiết kế và sản xuất,

chế tạo với mô hình hóa hình học của chúng, hoặc phối hợp với các phần mềm đối tác. Có thể

xếp vào nhóm này các phần mềm như SolidWorks, Pro/E, MasterCAM.

Các hệ thống mức cao (High-end systems) là các hệ thống CAD/CAM kế thừa. Các

hệ thống này xuất hiện từ những năm 1970 và được phát triển qua nhiều năm. Các hệ thống

này hỗ trợ cho mô hình hóa, phân tích, sản xuất, chế tạo các sản phẩm phức tạp như máy bay.

Ô tô,…Thuộc về nhóm này có các phần mềm Unigraphics, Parasolid, SDRC I-DEAS,

CATIA,..

Unigraphics, Parasolid, và I-DEAS được cung cấp bởi hãng EDS, còn CATIA và SolidWorks

được cung cấp bởi Dassault Systems.

Các hệ thống chuyên dùng (Specialized systems) bao gồm ACIS (Spatial Corp.) và

Parasolid (EDS),.. Mỗi hệ thống này cung cấp một lõi (phần mềm) mô hình hóa hình học, đồ

họa tổng quát và rất mạnh cùng với license cho phép xây dựng các hệ thống CAD/CAM với

đầy đủ các chức năng. Phần mềm ACIS được dùng như một lõi hạt nhân của các hệ thống

CAD/CAM này. SolidWorks, Unigraphics, SolidEdge sử dụng ACIS làm lõi của chúng.

Việc lựa chọn một hệ thống CAD/CAM phụ thuộc vào nhiều yếu tố, từ tiêu chuẩn giá thành

cho đến các tiêu chuẩn thử nghiệm đánh giá hiệu suất, khả năng của phần mềm. Tính tương

thích với máy tính đang sử dụng, triển vọng, độ tin cậy của hệ thống cũng như kỹ năng,kiến

thức nền, quan điểm của người sử dụng,.. cũng là những yếu tố được xem xét đến khi lựa

chọn. Đối với các công ty, việc lựa chọn hệ thống CAD/CAM thường chịu ảnh hưởng lớn

bởi quy mô và độ phức tạp sản phẩm của công ty. Các công ty nhỏ, sản phẩm đơn giản

thường lựa chọn các hệ thống dễ sử dụng như AutoCAD, CADKEY, SolidEdge, hay

SolidWorks,..Các công ty loại vừa thường chọn các hệ thống CAD/CAM như SolidWorks,

Pro/E, Unigraphics, I-DEAS, CATIA,.. không có quản trị dữ liệu sản phẩm (PDM) và các mo

dun phần mềm bậc cao.Các công ty lớn với sản phẩm phức tạp cũng thường chọn các hệ

10  

thống giống như các công ty loại vừa, nhưng yêu cầu có PDM để các bộ phận của công ty có

thể chia xẻ và hiệu chỉnh đồng thời dữ liệu sản phẩm và kèm theo là các mo dun ứng dụng

bậc cao.

Trái ngược với sự đa dạng các tiêu chuẩn lựa chọn hệ thống CAD/CAM của các công ty, các

tiêu chuẩn lựa chọn về mặt kỹ thuật là thống nhất. Chúng được thiết lập dựa trên lý thuyết và

công nghệ CAD/CAM hiện có. Các tiêu chuẩn này bao gồm: tính dễ sử dụng hệ thống, chất

lượng tài liệu kết xuất, bảo trì phần mềm, hỗ trợ và dịch vụ, khả năng mô hình hóa hình học,

các ứng dụng thiết kế và sản xuất, chế tạo, ngôn ngữ lập trình hệ thống,..

V. Các tiêu chí đánh giá hệ thống CAD/CAM

1. Về hệ thống:

a. Phần cứng: cấu hình, khả năng mở rộng hệ thống liên quan đến cấu trúc mở của phần

cứng.

b. Phần mềm: - Hệ điều hành của hệ thống

- Giao diện người sử dụng

- Chất lượng tài liệu kỹ thuật

c. Bảo trì: sửa chữa phần cứng và cập nhật phần mềm.

d. Hỗ trợ và dịch vụ của nhà cung cấp phần mềm: đào tạo, hỗ trợ kỹ thuật

2. Khả năng mô hình hóa hình học

a- Các kỹ thuật biểu diễn:

- Các mô hình hình học: Wireframe, Surface, Solid

- Các thực thể hình học (entities) được cung cấp như thế nào?

- Sự tích hợp giữa các biểu diễn hình học khác nhau và các ứng dụngchungs hỗ trợ

b- Các hệ thống tọa độ và dữ liệu tọa độ đầu vào

- Hệ tọa độ làm việc (WCS)

- Dữ liệu tọa độ đầu vào: tọa độ Decac (x,y,z), tọa độ trụ (r, θ, z), tọa độ cầu (θ, Φ, z)

c- Các thực thể mô hình hóa: các thực thể cụ thể được cung cấp bởi phần mềm? tính dễ

dàng xây dựng, kiểm tra và hiệu chỉnh các thực thể.

d- Hiệu chỉnh hình học và thao tác bằng tay

- Các chức năng hiệu chỉnh hình học: giao, xén tỉa, chiếu,..

- Các thao tác: tịnh tiến, quay, copy, mirror, offset, scale, thay đổi thuộc tính

e- Hỗ trợ tiêu chuẩn đồ họa: trao đổi dữ liệu hình học giữa các hệ thống

3. Tài liệu thiết kế: tạo các bản vẽ kỹ thuật

4. Các ứng dụng

a. Lắp ráp hoặc hợp nhất mô hình

b. Các ứng dụng trong thiết kế (CAE): tính khối lương, phân tích dung sai, FEA,…

11  

c. Các ứng dụng sản xuất: sinh và kiểm tra đường dụng cụ, lập trình nc, postprocessing,

lập kế hoach quá trình, CIM, mô phỏng robot.

5. Ngôn ngữ lập trình được hỗ trợ:

- Các mức ngôn ngữ lập trình hệ thống cung cấp

- Cú pháp các lệnh đồ họa.

12  

Phần1: Thiết kế cơ khí với CAD

Chương 1: Tổng quan về ứng dụng phần mềm CAD/CAM trong thiết kế cơ khí

1.1. Giới thiệu

1.1.1. Thiết kế 2D với CAD

1. Các không gian thiết kế 2D

a. Không gian giấy vẽ (Paper Space).

Một hệ thống CAD sử dụng không gian giấy vẽ để “biết” kích thước của bản vẽ. Hơn nữa

kích thước bản vẽ có thể chỉ định hệ thống đơn vị (inch, mm, …) và tỷ lệ cần thiết để nhập dữ

liệu hình học vào bản vẽ. Ví dụ nếu kích thước bản vẽ cỡ A4 theo đơn vị mm được sử dụng,

thì không gian giấy vẽ cơ sở sẽ từ 0 đến 297 mm theo phương ngang và từ 0 đến 210 mm

theo phương đứng. Như vậy không gian giấy vẽ không không chỉ xác định đường biên của

bản vẽ mà còn thiết lập cả đơn vị của nó. Với không gian này, người sử dụng bắt buộc phải

làm việc trong khuôn khổ bản vẽ đã xác định. Hệ thống CAD cũng có thể cung cấp các lựa

chọn (option) làm việc với các khung nhìn (viewport). Các khung nhìn có đường biên ranh

giới với các tọa độ xmax,ymax, xmin,ymin, xác định. Khi bản vẽ thiết lập ở không gian giấy vẽ,

các khung nhìn tương đương với các hình chiếu của bản vẽ. Lúc đó có thể dễ dàng có hệ số tỷ

lệ ở các khung nhìn tương ứng với tỷ lệ của bản vẽ. Mỗi khung nhìn có thể có hệ số tỷ lệ

riêng của nó và khuôn khổ thiết kế có thể được thực hiện trong ngữ cảnh của khuôn khổ bản

vẽ được lựa chọn. Nếu vật thể thiết kế có kích thước rất lớn, các khung nhìn có thể chọn các

tỷ lệ thu nhỏ lớn. Ví dụ như khi chọn tỷ lệ là 1/32 nếu người thiết kế nhập vào một đoạn

thẳng có chiều dài là 320 mm thì hệ thống CAD có thể tự động nhập tỷ lệ 1/32 và vẽ ra đoạn

thẳng có chiều dài lam 10 mm. Khi người thiết kế đo chiều dài đoạn thẳng này trên bản vẽ

CAD thì hệ thống CAD có thể tự động “undo” hiệu ứng tỷ lệ của khung nhìn, tức là lúc đó

kích thước đoạn thẳng được đo sẽ là kích thước thực bằng 320 mm.

b. Không gian mô hình (Model Space).

Trong không gian mô hình, sự hình thành các thực thể hình học không liên quan gì đến kích

cỡ bản vẽ đang được tạo ra. Hệ thống CAD xem tất cả các thông tin hình học đang được vẽ là

nằm trong miền phẳng 2D không giới hạn. Hệ thống chỉ định một điểm gốc (Origin) cùng với

hệ tọa độ mô hình (MCS). Vì không có quan hệ gì với kích thước bản vẽ, nên các vật thể thiết

kế có thể có kích thước lớn, nhỏ không hạn chế. Các tọa độ của các thực thể hình học xây

dựng có thể lớn nhỏ tùy ý và không quan tâm đến đơn vị đang được dùng (inch, mm,..). Do

vậy người thiết kế sẽ dùng các kích thước thực để thiết kế. Khi bản vẽ được hoàn thành, hình

học thiết kế được trình bày trong không gian mô hình. Khi in bản vẽ, không gian mô hình cần

13  

phải chuyển đổi cho phù hợp với không gian giấy vẽ. Điều này dễ dàng thực hiện được bằng

cách phủ (overlay) hay ánh xạ kích cỡ bản vẽ đến các thực thể hình học trong bản vẽ .

2. Phương pháp thiết kế sử dụng các bản vẽ 2D.

Thiết kế một sản phẩm cơ khí cần thực hiện qua một hệ thống các nhiệm vụ và với mỗi mức

của nó được thực hiện với một kiểu bản vẽ nhất định. Hiện nay hầu hết các công ty lớn trong

các ngành ô tô, hàng không, thiết bị cơ khí,.. đều đang sử dụng quá trình thiết kế 3D, nên

phương pháp thiết kế 2D không được sử dụng nhiều như trước. Mặc dù vậy, người thiết kế

vẫn cần nắm được các nguyên lý của phương pháp thiết kế 2D để có thể áp dụng cho thiết kế

3D.

a. Đặc điểm kỹ thuật (Specifications)

Mức trên cùng của thiết kế 2D là bản vẽ chung của sản phẩm (GA = General Arrangement).

Bản vẽ này trình bày các thông tin thiết kế chung nhất của sản phẩm. Bản vẽ này được dùng

để đánh giá marketing và các đặc tính kỹ thuật của sản phẩm. Các đặc tính kỹ thuật là một tài

liệu thường gắn với GA quy định các yêu cầu mà thiết kế cần phải đáp ứng.

Bản vẽ chung thường được tạo ra đầu tiên. Giai đoạn đầu này của quá trình thiết kế thường

được gọi là thiết kế ý tưởng (Conceptual Design). ở giai đoạn này, các ý niệm cơ bản của

thiết kế được đánh giá và được điều chỉnh để đáp ứng với các yêu cầu khác nhau của thị

trường.

b. Bản vẽ lắp (Layouts and Assembly)

Sau giai đoạn thiết kế ý tưởng, đến giai đoạn thiết kế sơ bộ (Preliminary Design). Kiểu bản

vẽ sử dụng trong giai đọan này được gọi là Layouts. Các bản vẽ này được dùng để bắt đầu

thực sự định kích thước và lắp ghép các hệ thống, các bộ phận, các chi tiết với nhau. Cũng

giông như bản chung, layouts không thực sự được dùng trong khi sản xuất, chế tạo sản phẩm

và nói chung không được “phát hành (released)” tức là chúng không được sử dụng ngoài

phòng kỹ thuật.

c. Thiết kế chi tiết và phác thảo (Detailed Design and Drafting)

Cuối cùng, các layouts đi đến thời điểm hình học hay hình dạng của các chi tiết thành phần

đã được xác định. Lúc này người thiết kế layout nhận thấy rằng các chi tiết đã được định vị

và đã được định kích thước phù hợp để lắp ghép và làm việc. Trên cơ sở các hình chiếu của

chi tiết trên bản vẽ layout, người thiết kế có thể tạo ra bản vẽ có thể dùng để chế tạo các chi

tiết đơn lẻ cụ thể. Kiểu bản vẽ này được gọi là bản vẽ chi tiết. Vì các bản vẽ này được dùng

để điều khiển, chỉ dẫn cho quá trình sản xuât nên các bản vẽ này cần có đầy đủ kích thước,

dung sai,…

1.1.2. Thiết kế 3D với CAD

14  

Thiết kế 2D có những hạn chế trong nhiều ứng dụng. Từ những thập niên 90 của thế kỷ trước

với sự phát triển của máy tính và các bộ mô phỏng 3D, thiết kế 3D đã được ứng dụng rộng rãi

và ngày nay có thể được xem là tiêu chuẩn thiết kế cơ khí. Sau đây là liệt kê một số ưu điểm

của thiết kế 3D:

Hình dung (Visualization). Đây là ưu điểm cơ bản nhất của thiết kế 3D. Người thiết kế

có thể quan sát được thiết kế thực, không cần phải nghiên cứu các hình chiếu trên bản vẽ.

Tạo ra các bản vẽ tự động (Automated drawing). Các bản vẽ thường cần dùng để trao

đổi thông tin với nhà cung cấp, khách hàng, người sản suất,..CAD 3D có thể sử dụng để tạo

ra tự động các thực thể hình học trên các bản vẽ.

Thuộc tính hình học (Geometric properties). Khi mô hình 3D đã được tạo ra, có thể

phân tích nó theo nhiều cách, diều mà CAD 2D không thể thực hiện được. Trên cơ sở mô

hình 3D có thể tính được thể tích, nếu gán vật liệu cho nó thì có thể tính được khối lượng,

kể cả trường hợp mô hình 3D của một lắp ráp gồm nhiều chi tiết bằng các vật liệu khác

nhau. Có thể đo được các khoảng cách trong mô hình 3D theo nhiều cách ( khoảng cách

giữa 2 điểm, giữa điểm với đường, điểm với mặt, đường với đường,…)

Kiểm tra giao nhau (Interference checking). Hệ thống CAD 3D có thể tự động kiểm tra

giao nhau của các mô hình hay của các phần trong mô hình.

Nâng cao chất lượng (Improved quality). CAD 3D dễ dàng chuyển đổi đến sự tạo thành

các mô hình phân tích (để dự đoán lỗi). Các bản vẽ được tự động tạo ra từ mô hình 3D ít bị

lỗi hơn. Các hình chiếu phối cảnh trên bản vẽ giúp cho người đọc dễ hiểu bản vẽ mô tả gì.

Người đọc có thể tìm hiểu nhanh chóng bản vẽ và ít mắc lỗi hơn.

Phê duyệt thiết kế “thực sự” (“True” design view). Việc họp kiểm tra, xem xét phê

duyệt thiết kế sản phẩm ở mức cao nhất bao gồm cả nhà thiết kế, các kỹ sư, nhà quản lý,

khách hàng, nhà tiếp thị, nhân viên sản xuất,..). cần phải xác định xem sản phẩm có đáp ứng

được yêu cầu hay không. Mặc dù hầu hết họ có thể làm việc với các bản vẽ, nhưng có rất ít

thông tin phản hồi vì không phải tất cả các thành viên đều tinh thông bản vẽ. Vấn đề này sẽ

được giải quyết nhờ hỗ trợ của các hình ảnh mô hình 3D.

Mô hình thông minh (Intelligent models). Các phần mềm mô hình hóa 3D kích thích

các nhà thiết kế có những phát minh, cải tiến thiết kế. Điều này có thể thực hiện ở dạng tạo

ra các quan hệ tham số, nhập vào các phương trình, các bảng nhóm sản phẩm, các hạn

chế,..Như vậy cho phép từ một mô hình chi tiết tổng quát có thể tạo ra các mô hình chi tiết

tương tự một cách tự động.

Tiêu chuẩn hóa. Mặc dù CAD 2D có thể lưu giữ và tổ chức ra các hình học tiêu chuẩn,

những khi đã được đưa vào bản vẽ thì thường không sử dụng lại được. CAD 3D có thể lưu

giữ nhiều lần bản ghi các mô hình chi tiết 3D tiêu chuẩn được sử dụng trong một lắp ráp.

15  

Phối hợp, kết nối (Associativity). Mô hình CAD 3D có thể giữ được các quan hệ của

các thực thể hình học với nhau. Nhờ đặc trưng này, khi mô hình 3D được hiệu chỉnh lại,

hình học và các kích thước trong các bản vẽ 2D sẽ được tự động cập nhật lại. Các quan hệ

cũng có thể cho phép dẫn đến thay đổi trong một lắp ráp hay mô hình phân tích của chi tiết.

CAD 3D tạo ra một cơ sở dữ liệu dùng chung cho nhiều ứng dụng tiếp theo trong chu

kỳ sản phẩm, đặc biệt trong giai đoạn sản xuất (CAM, CAPP,…)

Phát triển sản phẩm tích hợp (Integrated product development). Với những khả năng

của CAD 3D như Visualization, Associativity, Intelligent việc tạo ra các nhóm học thuật

cho phát triển sản phẩm trở thành hiện thực hơn.

1.2. Làm quen với phần mềm CAD/CAM

1- Các phương pháp thực hiện lệnh:

a. Sử dụng menubar: các câu lệnh được nhóm lại và đặt trong từng menu. Do vậy không

tốn không gian mô hình hóa. Người sử dụng cần nhớ các câu lện được nhóm hợp với

nhau như thế nào.

b. Sử dụng toolbar: các câu lệnh được mô tả bằng các biểu tượng (icons). Thao tác lệnh

nhanh, chỉ cần một click là truy nhập được vào câu lệnh. Tuy nhiên người sử dụng cần

phải kích hoạt các toolbar cần thiết và việc sử dụng toolbar cũng làm cho màn hình rắm

rối và làm giảm không gian mô hình hóa .

c. Nhập lệnh trực tiếp ít sử dụng vì chậm và người dùng cần phải nhớ câu lệnh

1. Các tùy biến (Customization)

Tùy biến hệ thống: Người dùng có thể thay đổi hệ thống sao cho phù hợp với yêu cầu

mô hình hóa của mình, với môi trường làm việc và lưu lại. Các thiết lập này ảnh hưởng đến

các thuộc tính hệ thống CAD/CAM và áp dụng cho tất cả các mô hình. Các lựa chọn hệ

thống bao gồm thiết lập các mầu của cơ sở dữ liệu, các thuộc tính của bản vẽ,..và các tùy

biến hệ thống khác.

Tùy biến lớp tài liệu: Các thiết lập tùy biến tài liệu cho phép người sử dụng điều khiển

độc lập các thuộc tính của mỗi tài liệu. Người dùng chỉ có thể truy nhập và thay đổi các

thuộc tính này khi tài liệu được mở ra. Các lựa chọn tùy biến này bao gồm: thiết lập các

đơn vị (units), lưới vẽ (grid), các thuộc tính hình ảnh (image attributes),… và nhiều tùy biến

hệ thống khác.

2. Các phương thức (modes) của hệ thống CAD/CAM

Khi tạo một file mới trong một hệ thống CAD, hệ thống thường nhắc ta chọn phương

thức mà trong đó ta mong muốn tạo file mới này. Các phương thức thường thấy nhất trong

một hệ thống là: phương thức tạo chi tiết (Part mode), phương thức tạo bản vẽ (Drawing

mode), phương thức lắp ráp (Assembly mode). Các phương thức khác có thể có hay không

16  

tùy vào hệ thống như: phương thức mô phỏng (Simulation mode), phương thức hoạt hình (

Animation mode), phương thức phân tích (Analysis mode), phương thức gia công

(Machining mode),..

3. Các hệ thống tọa độ (coordinate system) và mặt phẳng phác thảo (sketch plane)

Các hệ thống tọa độ và mặt phẳng phác thảo là những khái niệm quan trọng trong một hệ

thống CAD. Chúng được dùng để nhập, lưu và hiển thị hình học mô hình và đồ họa. Có ba

hệ thống tọa độ để thực hiện các nhiệm vụ này là: hệ tọa độ mô hình (Model/Master

Coordinate System = MCS), hệ tọa độ làm việc (Working Coordinate System = WCS) và

hệ tọa độ màn hình (Screen Coordinate System).

Một MCS là một không gian chuẩn của mô hình mà tất cả các dữ liệu hình học của mô hình

đó được lưu trong đó. Trong một hệ thống CAD MCS thường được chỉ ra bằng cách hiển

thị các trục X, Y, Z. Các mặt phẳngvuông góc được tạo ra bởi các trục của MCS là các mặt

phẳng chuẩn, mặt phẳng phác thảo hoặc mặt phẳng dựng hình.

Một WCS có thể được xem như là một hệ tọa độ động. Nó thường được dùng khi mặt

phẳng cần thiết để phác thảo không được xác định đơn giản là một trong các mặt phẳng của

MCS. Người sử dụng có thể định nghĩa một WCS (và như vậy định nghĩa một mặt phẳng

phác thảo) cho trường hợp như vậy và hệ tọa độ này có quan hệ với hệ MCS bằng cách sử

dụng một ma trận chuyển đổi hình học cho phép dữ liệu hình học được lưu tương đối với

MCS. Trong Solidwork hay Pro/E không hiển thị vật lý WCS. Khi tạo ra hoặc lựa chọn các

mặt phẳng phác thảo thực chất là tạo ra WCS.

Một SCS là một hệ thống tọa độ phụ thuộc thiết bị 2D với gốc của nó tại góc trái phía dưới

của màn hình. Nó được dùng chủ yếu trong khi nhắp chuột có liên hệ với khung nhìn,

chẳng hạn như khi xác gốc của khung nhìn và lựa chọn các khung nhìn cho các thao tác đồ

họa.

Mặt phẳng chuẩn hay mặt phẳng dựng hình là các tên gọi khác của mặt phẳng phác thảo.

Đây là một trong các khái niệm quan trọng nhất trong CAD bổ sung cho các hệ thống tọa

độ. Các mặt phẳng phác thảo là các mặt phẳng vuông góc tạo ra bởi các trục của MCS hay

WCS. Chúng cũng có thể là các mặt phẳng khác theo một hướng nào đó. Tạo ra / lựa chọn

một mặt phẳng phác thảo là bước quan trọng đầu tiên để tạo dựng một mô hình CAD. Hơn

nữa, ta cũng thường xuyên phải tạo ra / lựa chọn các mặt phẳng phác thảo trong suốt quá

trình mô hình hóa. Mô hình CAD xây dựng sẽ được định hướng như thế nào trong không

gian 3D phụ thuộc vào mặt phẳng phác thảo ta sử dụng để phác thảo.

4. Phác thảo (thao tác vẽ 2D)

Như đã trình bày ở trên, bước đầu tiên khi mô hinh hóa CAD là tạo ra / lựa chọn mặt phẳng

phác thảo. Sau đó ta tiến hành vẽ phác. Hệ thống CAD cung cấp nhiều câu lệnh / công cụ

17  

cho phép ta tạo ra những hình dạng 2D khác nhau khi sử dụng các thực thể hình học như

line, circle, arc, fillet, rectangle, chamfer,…

5. Mô hình hóa (thao tác vẽ 3D)

Sau khi đã tạo ra các phác thảo 2D bằng các công cụ vẽ phác cung cấp bởi hệ thống CAD,

ta sử dụng các thao tác 3D cho các phác thảo này để tạo ra các đặc trưng (feature) và các

mặt (surface) mà ta thường gọi là các mô hình CAD. Các hệ thống CAD cung cấp nhiều

thao tác 3D áp dụng cho cả khối rắn (solid) và mặt (surface) như extrusion, revolve, cut,

holes, ribs, chamfers, fillets, sweeps, lofts. Các câu lệnh này có thể được chọn khi sử dụng

menubar hay toolbar. Cũng cần nhấn mạnh rằng, ở giai đoạn này các thao tác 3D có thể yêu

cầu nhiều hơn một phác thảo để xác định hoàn toàn feature hay surface.

Các mô hình CAD có thể được phân ra thành ba loại trên quan điểm xây dựng hình học: các

mô hình 2 12 D, các mô hình 3D, và các mô hình tổ hợp của hai loại trên.

Các mô hình 2 12 D là các mô hình có tiết diện ngang và chiều dày theo phương vuông góc

với mặt phẳng của tiết diện ngang là không đổi. Các mô hình tròn xoay cũng thuộc vào loại

này. Các mô hình được tạo ra từ nhiều đối tượng 2 12 D cũng thuộc loại này. Ta có thể gọi

các mô hình này là các mô hình 2 12 D phức hợp. Các mô hình 2 1

2 D dễ dàng tạo ra bằng

các câu lệnh đơn giản như extrude và revolve. Để xây dựng mô hình 2 12 D có thể thực

Hình 1.1: Các dạng mô hình 2 12 D, 3D, và các mô hình phức hợp

18  

hiện theo hai bước. Bước thứ nhất là tạo tiết diện ngang của mô hình trong mặt phẳng phác

thảo. Bước thứ hai, kéo lên (extrude) tiết diện ngang nếu mô hình có chiều dày không đổi,

hoặc quay (revolve) tiết diện ngang nếu đây là mô hình tròn xoay

Các mô hình 3D là các mô hình không có tiết diện ngang không đổi và / hoặc không có

chiều dày không đổi. Các mô hình loại này thường đòi hỏi nhiều phác thảo trong các mặt

phẳng phác thảo khác nhau và cần dùng các câu đủ lệnh mạnh như là sweep, loft,..

6. Quan sát (viewing)

Mỗi khi tạo dựng một mô hình bằng cách sử dụng các thao tác 3D đối với các phác thảo,

hoặc trong quá trình tạo các mô hình và các phác thảo, hệ thống CAD cho phép ta quan sát

các mô hình này theo nhiều cách khác nhau. Hầu hết các thao tác quan sát trong một hệ

thống CAD có thể được phân thành ba nhóm: định hướng quan sát (view orientation), các

phương thức quan sát (view modes), các thao tác quan sát (view manipulations).

View orientation bao gồm các khung nhìn tiêu chuẩn như front, top, right và isometric.

Chúng làm thẳng hàng mô hình trên màn hình theo cách hiển thị khung nhìn đã chọn.

view modes cho phép thay đổi hiển thị mô hình theo các kiểu khác nhau như theo kiểu

khung dây (wireframe), ẩn nét khuất (hidden), tô bóng (shaded).

view manipulations cho phép quay (rotate), kéo (pan) và phóng (zoom) hình ảnh một cách

tùy động nhằm đạt được hiệu quả quan sát tốt nhất

7. Các công cụ tăng hiệu quả CAD (productivity tools)

Tất cả các hệ thống CAD đều cung cấp productivity tools/features nhằm làm giảm thời gian

cần thiết cho tạo dựng mô hình và tăng độ chính xác của mô hình. Các công cụ này bao

gồm: các công cụ hiệu chỉnh hình học (Geometric modifiers), các mảng hình học (Geometric

arrays) và lưới vẽ (Grids)

a. Công cụ hiệu chỉnh hình học (Geometric modifiers) cho phép người dùng sử dụng các

thông tin hiện có về mô hình hay phác thảo mà không cần phải tính toán các thông tin này. Ví

dụ như nếu muốn tạo ra một đường thẳng mới bắt đầu từ điểm cuối của một đường thẳng đã

có, hệ thống CAD sẽ làm sáng (highlight) điểm cuối cần thiết khi con trỏ di chuyển gần đến

nó. Các geometric modifiers thường có ở các hệ thống CAD là end, origin (center hay mid),

intersection, tangent, quadrant, near, perpenticular, parallel.

b. Mảng hình học (Geometric arrays): là công cụ làm tăng tốc độ vẽ rất hiệu quả của các hệ

thống CAD. Một số các thực thể giống nhau được đặt các đều nhau ở các vị trí quy định

trong môt mẫu hình (pattern). Hai kiểu mảng hình học thường thấy là mảng chữ nhật

(rectangular) và mảng tròn (circular).Các mảng này được cung cấp trong cả hai giai đoạn:

phác thảo và mô hình hóa. Ở giai đoạn phác thảo chúng cho phép người dùng lặp lại các phác

19  

thảo trong một mẫu hình, còn ở trong giai đoạn mô hình hóa chúng cho phép người dùng lặp

lại các đặc trưng (feature) trong một mấu hình.

c. Lưới vẽ (Grids): là một hỗ trợ hữu ích cho phác thảo. Một grid là một mạng các điểm

cách đều. Có hai kiểu mạng là rectangular và radial. Một lưới được hiển thị cnhuw là một

chuỗi các điểm chấm. Các hệ thống CAD cho phép thiết lập các thuộc tính lưới như là

khoảng cách mắt lưới, kích hoạt lưới, và kiểu hiển thị lưới.

8. Các công cụ quản trị (Management tools)

Các hệ thống CAD cung cấp các công cụ quản trị giúp cho người dùng có thể nhóm các thực

thể có bản chất giống nhau vào một nhóm nhằm hỗ trợ cho hiệuchinh, quan sát và truy nhập

có hiệu quả các mô hình CAD. Các công cụ này là lớp (layer), nhóm (group) và mầu (color).

a. Lớp (layer).

Công dụng chính của lớp là nhóm các thực thể CAD có cùng bản chất. Các lớp có thể được

xem như là các trang kính trong suốt, mỗi lớp chứa một số thông tin về mô hình như là các

phác thảo, các đặc trưng, các kích thước, hay là các ghi chú. Các lớp cũng có các thuộc tính

độc lập như là tính chất trông thấy được (visibility), mầu (color) và tính có thể lựa chọn

(selectability). Các lớp trong các hệ thống CAD cũng có thể tồn tại ở tất cả các phương thức

(mode) như là mô hình hóa, tạo bản vẽ, lắp ráp, hay các phương thức khác.

b. Mầu (Colors)

Mầu hữu ích trong phân biệt các thực thể hình học với nhau. Trong SolidWork, color là một

trong các thuộc tính có thể tùy biến ở cả mức hệ thống và mức tài liệu.

c. Nhóm (group)

Các nhóm là cần thiết khi yêu cầu xử lý một số lượng các thực thể được chọn một cách tạm

thời như là xử lý một thực thể phức hợp. Một nhóm có thể được tạo ra bằng cách chọn các

thực thể và nhóm lại thành một nhóm.Một nhóm có thể được điều khiển bằng cách chọn một

thực thể nào đó trong nhóm. Một thao tác lệnh thực hiện trên một nhóm sẽ ảnh hưởng đến tất

cả các thực thể trong nhóm. Khi không cần nữa, người sử dụng có thể delete hay phân rã

nhóm thành các thực thể độc lập như ban đầu.

20  

Chương 2: Các hệ thống mô hình hóa 3D

2.1. Mô hình khung dây (Wireframe)

2.1.1. Giới thiệu.

Đây là mô hình đơn giản nhất gồm có các thực thể phân tích như point, line, arc, circle,

fillet, chamfer, conic (ellipse, parabola, hyperbola) và các thực thể tổ hợp bao gồm các loại

spline (cubic spline và B-spline), Bezier,..Mô hình này tốn ít bộ nhớ và thời gian tính toán, là

cơ sở để xây dựng mô hình bề mặt. Mô hình này thường đòi hỏi nhiều thời gian để xác định

dữ liệu và nhiều lệnh để xây dựng. Mô hình này thường không rõ ràng, không phân biệt

trong, ngoài, không mô tả được đầy đủ thông tin của vật thể như thể tích, khối lượng,…

2.1.2. Phương pháp định nghĩa các thực thể hình học

Sử dụng các hệ thống CAD/CAM có thể tạo ra các thực thể hình học nói trên bằng các

phương pháp mô tả sau:

1. Phương pháp định nghĩa điểm (point)

a) Phương pháp tường minh

• Các tọa độ Đề cac tuyệt đối (hình 2.1a)

• Các tọa độ tọa độ trụ tuyệt đối (hình 2.1b)

• Các tọa độ Đề cac tương đối (hình 2.1c)

• Các tọa độ tọa độ trụ tuơng đối (hình 2d)

Hình 2.1: Các phương pháp định nghĩa Point

21  

b) Phương pháp không tường minh

• Nháy chuột trên màn hình. (hình 2.1e)

• Các điểm đầu, cuối của một thực thể đang hiện hành (hình 2.1f)

• Điểm tâm (gốc) của một thực thể đang hiện hành (hình 2.1g).

• Điểm giao của hai thực thể đang hiện hành (hình 2.1h).

2. Phương pháp định nghĩa đường thẳng (line)

a) Định nghĩa bằng các điểm (hình 2.2a)

b) Theo phương ngang (song song với trục X của WCS hiện hành) hoặc theo phương

đứng (song song với trục Y của WCS hiện hành) (hình 2.2b)

c) Song song hoặc vuông góc với đường thẳng đã có (hình 2.2c)

d) Tiếp tuyến với các thực thể đã có (hình 2.2d).

3. Phương pháp định nghĩa đường tròn (Circle), cung tròn (Arc).

a) Định nghĩa bằng tâm và bán kính hoặc đường kính. Trong trường hợp cung tròn cần có

thêm góc đầu và góc cuối (hình 2.3a).

b) Định nghĩa bằng ba điểm (hình 2.3b).

c) Định nghĩa bằng tâm và một điểm trên vòng tròn (hình 2.3c).

d) Tiếp tuyến với một đường thẳng, đi qua một điểm cho trước và với một bán kính cho

trước (hình 2.3d).

Hình 2.2: Các phương pháp định nghĩa Line

22  

4. Phương pháp định nghĩa Ellipse và Parabola

a) Ellipse

• Định nghĩa bằng tâm và chiều dài các trục (hình 2.4a).

• Định nghĩa bằng bốn điểm (hình 2.4b).

• Định nghĩa bằng các đường kính liên hợp (hình 2.4c).

b) Parabola

• Định nghĩa bằng đỉnh và tiêu điểm (hình 2.4d).

• Định nghĩa bằng ba điểm (hình 2.4e).

Hình 1.3: Các phương pháp định nghĩa Circle và Arc

Hình 2.4: Các phương pháp định nghĩa Ellipse và Parabola )

23  

5. Các đường cong tổ hợp

a. Đường cong spline bậc 3 được định nghĩa bằng một tập điểm dữ liệu

b. Đường cong Bezier được định nghĩa bằng một tập điểm dữ liệu

c. Các đường cong B-Spline nội suy qua các điểm dữ liệu

d. Các đường cong B-Spline ngoại suy qua các điểm dữ liệu

2.2. Mô hình bề mặt (Surface)

2.2.1. Giới thiệu.

Thiết kế các hình dạng và biểu diễn các vật thể phức tạp như vỏ thân ô tô, tầu thuyền ,máy

bay, khuôn mẫu,.. không thể thực hiện được bằng mô hình khung dây. Trong trường hợp này

cần sử dụng mô hình bề mặt để mô tả& thiết kế. Ta có thể tạo ra các bề mặt và sử dụng chúng

để cắt hay xén tỉa các đối tượng solid (features) và các primitive để nhận được các mô hình

của các vật thể phức tạp. Mô hình bề mặt tạo ra trên cơ sở các thực thể khung dây đã được tạo

ra trước đó, bắt đầu bằng các điểm dữ liệu hay các đường.Các thực thể wireframe phân tích

và tổ hợp đều có thể dùng để tạo ra các bề mặt. Tạo dựng bề mặt trên các hệ thống

CAD/CAM thường đòi hỏi dữ liệu ban đầu là các đường (curve).

* Mô hình bề mặt biểu diễn hoàn thiện hơn, ít nhập nhằng hơn mô hình khung dây. Nó cung

cấp các đường khuất, các thuật toán bề mặt (tô bóng,…). Mô hình bề mặt có thể dùng tính thể

tích, mô hình hóa phân tử hữu hạn, tạo đường chạy dao ( NC toolpath ), tạo ra các tiết diện

ngay, phát hiện giao nhau…. Tuy nhiên mô hình này cũng phức tạp và tốn bộ nhớ, thời gian

tính toán lâu hơn mô hình khung dây và còn có những nhập nhằng trong một vài ứng dụng

như phân biệt trong ngoài, các mặt nào của vật thể, chưa xác định được đầy đủ các thông tin

của một vật thể như khối lượng, mô men quán tính,…….

* Các thực thể bề mặt cũng gồm có hai loại: phân tích và tổ hợp. Các thực thể phân tích như

mặt phẳng (plane), mặt kẻ (ruled surface), mặt tròn xoay (surfave of revolution), mặt trụ

(tabulated surface). Các thực thể tổ hợp gồm có: Hermite Biculic surface, Bezier surface, B-

spline, coons surface,…

Hình 2.5: Các phương pháp định nghĩa các đường cong tổ hợp

24  

Cần chú ý khi chọn các đường để tạo bề mặt. Chọn các điểm đầu cuối của đường sai sẽ tạo ra

bề mặt xoắn. Ví dụn như khi xây dựng mặt kẻ nếu chọn đường bằng cách click chuột vào

đường ở gần điểm đầu cuối sai sẽ tạo ra mặt kẻ bị sai. Các hệ thống CAD thường sử dụng

điểm giữa của đường để biên dịch nháy chuột chọn đường của người sử dụng. Nếu điểm nháy

chuột ở nửa bên phải của đường thì việc chọn đường là đúng.

Để quan sát bề mặt trên màn hình máy tính, hệ thống CAD biểu diễn bề mặt bằng mặt lưới

(mesh) với kích thước m x n. Mật độ đường của lưới do người sử dụng thiết lập. Thiết lập

mặc định của hệ thống CAD là 4 đường cong biên ( mesh có kích thước 2 x 2). Người dùng

có thể thay đổi giá trị mặc định này. Ví dụ trên hình 2.7 mô tả các bề mặt tròn xoay với kích

thước lưới là 4 x 4 và 20 x 20.

2.2.2. Các bề mặt hình học cơ bản

1. Mặt phẳng (Plane surface)

Là bề mặt đơn giản nhất, thường được xác định bằng 3 điểm không trùng nhau. Có thể dùng

mặt phẳng để để tạo các tiết diện ngang

2. Mặt tròn xoay (Surface of revolution)

Để mô hình hóa các vật thể tròn xoay. Mặt tròn xoay được tạo ra bằng cách quay 1 đường

cong phẳng trong không gian quanh một trục tâm một góc nào đó (hình 1.9).

3. Mặt kẻ (Ruled/lofted surface)

Hình 2.7: Bề mặt tròn xoay với các cỡ lưới khác

a) Cỡ lưới 4x4

b) Cỡ lưới

b) Nhiều mặt phẳng a)Một mặt phẳng

Hình 2.6: Các mặt phẳng

25  

Mặt kẻ là một bề mặt tuyến tính được tạo ra bằng cách nội suy tuyến tính giữa hai đường biên

(rails). Các đường biên có thể là bất kỳ đường cong nào. Bề mặt này là lý tưởng để biểu diễn

các bề mặt không có bất kỳ chỗ nào xoắn.

4. Mặt trụ (Tabulated surface)

Mặt trụ được tạo ra bằng cách tịnh tiến một đường cong phẳng đi một khoảng nào đó theo

một hướng xác dịnh ( trục của mặt tru hay đường chuẩn) hay được tạo ra bằng cách di chuyển

một đường thẳng dọc theo một đường cong phẳng. Đường thẳng luôn song song với một

vecto xác định, định hướng mặt trụ.

5. Bề mặt Bezier (Bezier surface)

Bề mặt Bezier được xấp xỉ hay nội suy qua

tập điểm dữ liệu đầu vào cho trước. Đây là

bề mặt tổ hợp, là sự mở rộng của đường

cong Bezier.

Bề mặt Bezier được nội suy qua 1 ma trận

điểm. Ví dụ qua ma trận 16 điểm (4 hàng x

Trục quay

Đường cong phẳng

Hình 2.8: Bề mặt tròn xoay

Đường biên (rail)

Đường biên (rail)

Hình 2.9: Bề mặt kẻ

0

v =1 

P01

P02

P03

P13

P23  

P33

P32

P22 

P21  

P20   P30

P031

P12

P11  

u =0

u =1

P

Hình 2.10: Bề mặt trụ

26  

4 cột) ta có bề mặt Bezier bậc 3. Ma trận

điểm hình thành ra 1 đa diện điều khiển bề

mặt.

Bề mặt Bezier chỉ cho phép điều khiển toàn

cục.

6. Bề mặt B-spline (B-spline surface)

Bề mặt B-spline là bề mặt tổ hợp được định nghĩa bằng 1 tập hợp các điểm điều khiển. Tập

hợp các điểm điều khiển tạo ra 1 đa diện đặc tính xấp xỉ & điều khiển hình dạng của bề mặt

tạo ra cũng giống như bề mặt Bezier. Bề mặt B-Spline có thể là xấp xỉ hay nội quy các điểm

điều khiển này. Bề mặt B-spline ưu điểm hơn bề mặt Bezier ở chỗ nó cho phép điều khiển

cục bộ

7. Bề mặt Coons (Coons surface)

Được tạo thành bởi 4 đường cong nối tiếp nhau tạo thành

một đường biên kín khác với các bề mặt đã giới thiệu ở

trên được tạo ra bằng các đường biên hở hoặc các điểm

dữ liệu. Bề mặt coons là một dạng nội suy qua 1 số vô

hạn các điểm dữ liệu.

8. Bề mặt trộn (Blending surface)

Đây là bề mặt B-Spline hay Bezier dung để kết nối 2 mảnh bề mặt hay 2 bề mặt gần nhau,

đảm bảo tính liên tục kết nối C0 & C1 .

Fillet surface là một dạng bề mặt trộn. Các bề mặt ban đầu khi fillet có thể bị xén tỉa hay

không bị xén tỉa.

Patch

Hình 2.13: Bề mặt Coons

Đường biên kín

Hình 2.12: Các bề mặt B-Spline

b) Dữ liệu điểm a) Bề mặt B-Spline

27  

9. Bề mặt Offset (Offset surface)

Bề mặt đã có có thể được offset để tạo ra bề mặt mới có hình dạng tương tự như bề mặt ban

đầu, nhưng có thể khác về kích thước. Đây là một bề mặt hữu ích để tăng tốc độ tạo dựng bề

mặtdụ để tạo một hình trụ rỗng có thể tạo ra hình trụ trong hoặc hình trụ ngoài bằng cách sử

dụng lệnh cylinder, hình trụ kia được tạo ra bằng lệnh offset. Bề mặt offset đặc biệt hiệu quả

khi bề mặt ban đầu phức tạp.

2.3. Mô hình khối rắn (Solid)

2.3.1. Giới thiệu

Mô hình solid là biểu diễn đầy đủ nhất cho phép tự động hoá chức năng và tích hợp,

cho phép xác định đầy đủ các thuộc tính của vật thể như khối lượng, mô men quán tính, tạo ra

mặt lưới tự động (FEM)... Đặc trưng cơ bản nhất là tính chất mô tả đầy đủ và không nhập

nhằng. Cơ sở dữ liệu (CSDL) mô hình solid bao gồm cả dữ liệu hình học (Geometry) và

thông tin Topo (Topology).

Dữ liệu hình học là các kích thước thực xác định các phần tử (ontity) cấu thành nên

vật thể. Dữ liệu hình học thường là thấy với người sử dụng.

Thông tin Topo là thông tin về sự kết nối và phối hợp giữa các phần tử của vật thể đây

là thông tin quan hệ, không đồ hoạ và trong suốt với người sử dụng.

Hai sơ đồ biểu diễn mô hình solid phổ biến nhất là CSG và B-rep.

Hình 2.14: Bề mặt Fillet

Hình 2.15: Bề mặt Offset

Hướng

28  

1.2.3.2. Mô hình CSG (Constructive solid geometry)

Mô hình CSG dựa trên khái niệm Topo là một vật thể có thể được chia ra thành 1 tập

các phần tử hay hình dạng cơ bản được gọi là primitive và chúng có thể kết hợp với nhau

theo một thứ tự nào đó nhờ các toán tử Boolean. Mỗi Primitive được xem như là một mô hình

CSG hiệu lực.

Các phần tử cơ sở của mô hình CSG (primitives)

Các primitive được xem như là các solid tham số, được xác định bởi 2 tập dữ liệu

hình học. Tập thứ nhất là tập các tham số cấu hình tập thứ hai là các tham số chuyển động

cứng vững.

Ví dụ, như tập các tham số cấu hình của block là bộ 3 giá trị L,H,D và tập các tham số

chuyển động cứng vững là vị trí của điểm gốc P của block so với hệ toạ độ MCS hay WCS,

hoặc là các tham số chuyển động cứng vững tường minh (tịnh tiến và quay).

Các primitive cơ bản nhất là:

* Block được xác định bởi các dữ liệu hình học W,H,D và điểm P xác định điểm gốc

của hệ toạ độ. Mô tả về mặt toán học có thể xem như block là 1 tập điểm chính quy của các

bộ 3 có thứ tự (x,y,z)

⎨(x,y,z) 0<x<w, 0<y<H và 0<z<D⎬

* Cylinder: Dữ liệu hình học là bán kính R và chiều dài H.

⎨(x,y,z): x 2 +y 2 <R 2 và 0<z<H ⎬

* Cone (hoặc nón cụt) xác định bởi bán kính đáy R (bán kính đỉnh đối với nón cụt ) và

chiêu cao H.

⎨(x,y,z): x 2 +y 2 <[(R/H)z] 2 và 0<z<H⎬

YL 

XL

ZL 

YL

XL

ZL

YL 

XL 

ZL

R 

R YL 

XL 

ZL 

R 

P 

YL

XL

ZL 

P

DW

H

YL 

XL 

ZL RL

RI R0

R1 

Hình 2.16: Mô hình khối rắn cơ sở

29  

* Sphere được xác định bởi bán kính đáy R hay đường kính và được xác định tâm ở

gốc của hệ toạ độ địa phương.

⎨(x,y,z): x 2 +y 2 +z 2 <R 2 ⎬

* Wedge xác định bởi chiều cao H, chiều rộng W, chiều sâu đáy W

⎨(x,y,z): 0<x<W, 0<y<H, 0<z<D và yW+xH+HW⎬

* Tours được tạo ra bằng cách quay 1 đường tròn xung quanh một trục nằm trong mặt

phẳng của nó. Hình học của Tours xác định bởi bán kính hay đường kính R1 ,R 2 hay bán

kính trong R Ivà bán kính ngoài R0

⎨(x,y,z): (x 2 +y 2 +z 2 - R 22 -R 2

1 ) 2 < 4 R 22 ( R 2

1 -z 2 )⎬

Các toán tử boolean và cấu trúc dữ liệu cây CSG.

Ba toán tử cơ bản: Union(∪ ): phép hợp

Difference(-): phép trừ

Intersection(∩ ): phép giao

Để xác định và phân tích solid cấu trúc CSG người ta thường biểu diễn cấu trúc dữ liệu CSG

ở dạng cây nhị phân; trong đó mỗi nút lá là một primitive, mỗi nút bên trong là một toán tử

boolean

Ví dụ:

B3 

B1  B2 

B4 

C4 

C3 C2 

C1 ∪ 

‐ ‐ 

C2 ∪ 

C1 ∪ 

B3 B1 

∪ C3 

C4  ∪ 

B2  B4 

Hình 2.18: Cây CSG

A∪B  A ‐ B A ∩ B 

Hình 2.17: Sơ đồ Venn

30  

Kết luận: Cấu trúc CSG cho phép dễ dàng xây dựng mô hình từ các pimitive và các

toán tử boolean một các chính xác và tốn ít bộ nhớ. Tuy vậy nó không cho phép biểu diễn các

vật thể có bề mặt tự do.

2.3.3. Mô hình biểu diễn biên B-rep

Mô hình B-rep được xác định trên cơ sở ý niệm Topo là một vặt thể được bao kín bởi

một tập các bề mặt (faces). Các face là các vùng hay là các tập con các mặt hình học(surface)

kín và có định hướng.

Một mặt hình học kín là mặt hình học liên tục không bị đứt, hở một mặt hình học có

định hướng là mặt hình học có phân biệt 2 phía bằng cách sử dụng pháp tuyến của mặt đó để

xác định trong ngoài của mô hình solid khi xây dựng. Mỗi bề mặt (face)được giới hạn bởi các

cạnh(edges) và mỗi cạnh được xác định bởi các đỉnh (vertices).

CSDL của mô hình B-rep cũng gồm các thông tin về Topo và hình học.

Topology của mô hình này là sự kết hợp của các faces, edges và vertices được tạo ra

nhờ các toán tư ơle.

Geometry (thông tin hình học) của mô hình gồm toạ độ các đỉnh các chuyển động và

chuyển đổi cứng vững (tịnh tiến, quay), các thông tin về khoảng cách, góc diện tích, thể

tích...

Các hệ thống B-rep chỉ lưu các mặt trên của solid trong CSDL, có khả năng lớn trong

mô hình hoá các vật thể. Các mặt hình học cơ sở (primitive surfaces) như planar, curved,

suclptured surface có thể được hệ thống B-rep chấp nhận để tạo ra các bề mặt của mô hình

vật thể.

Các vật thể kỹ thuật có thể phân thành 2 loại đa diện (polyhedral) và vật thể có bề mặt

cong (curved object)

Các đa diện (polyhedral) có các bề mặt là mặt phẳng, nối kết với nhau theo các cạnh

thẳng (linear edges) và các cạnh nối với nhau tại các đỉnh (vertices).

Các vật thể có có các bề mặt là những mặt cong và các cạnh cũng là các đường cong.

1. Các phần tử cơ sở

Một đỉnh (vertex) là một điểm duy nhất (gồm 3 toạ độ ) trong không gian.

Một cạnh (edge) là một đường cong không gian có giới hạn, không có điểm tựa và

giới hạn bởi 2 đỉnh (có thể trùng nhau).

Một face là một vùng bề mặt có định hướng, kín, không tự giao, giới hạn bởi 1 hay

nhiều loop.

Một loop là một đường cong không gian kín gồm các đỉnh và các cạnh kế tiếp nhau.

Một handle: 1 lỗ xuyên hoàn toàn qua vật thể. Số lương handle trong vật thể được gọi

là genus.

31  

Body (shell) là một tập hợp các bề mặt (face) bao kín lấy một thể tích kín có hình khối

đơn giản. Như vậy body là một thực thể gốm cả faces, edges và vertices. Body nhỏ nhát là

một point (chỉ gồm 1 face, vertex).

Luật Euler: F-E+V+L=2(B-G)

F: Số face

E: Số Edges

V: Số vertices

L: Số vòng trong của các bề mặt (facesinnerloop)

B: Số body

G: Số handles (genus).

Ví dụ: 10-24+16-2=2(1-1)

Để tạo ra các mô hình B-rep của 1 vật thể phải xác định giá trị thích hợp cho các biến

trong phương trình trên. Các lệnh hệ thống (của toán tửEuler) được sử dụng để tạo ra mô hình

có hiệu lực.

2. Các toán tử Euler và cấu trúc dữ liệu

* Cấu trúc dữ liệu winged-Edge: Topology Geomerty

object

body

genus face

underlying surface

equation

loop Edge

underlying curve

equation

Verlex point

coondinates

* Các toán tử ơle

MBFV: tạo body, face, vertex KHFV: loại bỏ body, face, vertex

MEV: :tạo edge, vertex KEV: loại bỏ edge, vertex

E1 

E2 

E3 

E4 

E5 

E6 

E7 

F1  F2 

32  

MEF: tạo edge, face KEF: loại bỏ edge, face

Ví dụ, tạo mô hình B-rep của vật thể sau:

Kết luận, cấu trúc B-rep thích hợp cho xây dựng các mô hình solid có dạng tự do khó

xác định nhờ các primitive. Mô hình này cho phép biến đổi sang dạng wireframe. Nhược

điểm chính là đòi hỏi bộ nhờ lớn, biểu diễn dài dòng hơn CSG.

2.3.4. Biểu diễn quét (Sweep representation)

Thường được sử dụng để tạo ra các đối tượng 221 D

Quét ở đây có thể là dịch chuyển tịnh tiến (translationnal sweep) hay quay (rotation),

(quét tuyến tính) hay là quét phi tuyến (nonlinear sweep)

Quét tuyến tính

Translational sweep: tập điểm đồng phẳng mô tả bởi đường biên kín được tịnh tiến 1

khoảng cách theo phương vuông góc với mặt phẳng chứa tập điểm đó.

Rotational sweep: tập điểm đồng phẳng mô tả bởi đường cong kín quay xung quanh 1

trục quay một góc nào đó.

Quét phi tuyến

(tập điểm đồng phẳng biểu diễn bằng đường biên kín của nó di chuyển theo một đưòng dẫn

không tuyến tính (bậc 2,3 hoặc cao hơn).

Các thực thể như line, arc, cirle và B-spline thường được sử dụng để tạo ra đường

biên kín của thực thể sử dụng trong phép quét.

Biểu diễn quét hữu ích trong các ứng dụng như mô phỏng lấy đi vật liệu từ phôi khi

gia công cắt gọt hay kiểm tra giao nhau các vật thể trong không gian.

V1 

MME 

V6  V5 

V4  V3 

V2 

F1 

MEF 

V11  V10 

V7 

V9 

V8 

MME  MEF (t�o F3) MEF (t�o F2) 

F2 F4 

F5 

F6 F7 

F3 

MEF, MEF, MEF,  MEF 

33  

2.3.5. Các thao tác với solid ( Solid Manipulations)

• Hiển thị (Displaying)

Hiển thị solid có thực hiện theo 2 cách: hiển thị dạng khung dây và hiển thị dạng hình ảnh tô

bóng. Hiện thị dạng khung dây đòi hỏi mô hình biểu diễn biên (B-rep) của solid, về các cạnh

và các đỉnh được dùng để tạo ra khung dây của solid. Khung dây này có thể được hiển thị,

hiệu chỉnh, hoặc dùng để tạo ra các bản vẽ 2D. Nếu như các mặt cơ bản của các bề mặt solid

được sử dụng, một mặt lưới (mesh) có thể được bổ sung vào cho hiển thị để cho dễ hình

dung vật thể.

Hiển thị dạng hình ảnh tô bóng cung cấp các hiệu ứng hình dung thực cho người sử dụng. Tô

bóng có thể thực hiện trực tiếp từ mô hình CSG của solid.

• Định giá (evaluate) các điểm, các đường, các mặt trên solid.

Định giá các điểm và các đường trên solid được xem như giải bài toán về giao nhau. Giải các

bài toán giao nhau curve/solid, surface/solid sẽ tương ứng tạo ra các điểm và các đường trên

solid. Giao của plane/solid sẽ tạo ra tiết diện ngang của solid.

Định giá các mặt trên solid có thể được xem là chiết xuất ra mặt hình học cơ bản của bề mặt

solid. Các mặt hình học này có thể được giới hạn bởi các cạnh của solid. Để giữ cho thông tin

Topo và hình học của solid không bị thay đổi, hình học và các thông tin liên quan khác của

các bề mặt này phải được copy lại. Các phương trình tham số của các mặt hình học được lưu

trong bộ mô phỏng solid cho phép thực hiện hiệu chỉnh các mặt hình học chiết xuất ra.

Bài toán ngược ở đây gồm có kiểm tra xem điểm, đường và mặt cho trước có nằm trên bề mặt

solid hay không. Hệ thóng CAD sử dụng các thuật toán phân loại thành viên tập hợp và lân

cận để giải quyết.

• Phân tách (Segmentation).

Khái niệm về segmentation dùng cho các đường và các mặt có thể áp dụng cho solid. Phân

tách solid tương đương với chia solid đó ra thành 2 hay thành 4 solid hiệu lực con tùy theo

phép chia này được thực hiện bởi một mặt phẳng hay một điểm. Các solid con tạo ra có đầy

đủ các thông tin hình học và Topo của nó. Trong mô hình B-rep, các đỉnh, các cạnh, các mặt

mới được tạo thành.

• Xén tỉa (Trimming) và giao nhau (Intersection).

Trimming một solid tạo ra bằng cách giao solid đó với các biên xén tỉa thường là các surface.

Kết quả là loại bỏ đi cáct phần của solid nằm ngoài các biên này. Khi trimming một solid kết

quả là chia solid đó thành 2 solid con, trong đó một solid con sẽ bị loại đi.

Intersection sử dụng toán tử Boolean giao nhau.

• Biến đổi hình học (Transformation)

34  

Các phép biên đổi thuần nhất, hay các chuyển động cứng của solid bao gồm : tịnh tiến

(Translate), quay (Rotate), tỷ lệ (Scale). Các biến đổi này có thể thực hiện trong hai trường

hợp. Khi xây dựng solid, có thể cần phải định vị và định hướng các solid thành phần cho phù

hợp trước khi áp dụng các toán tử Boolean. Sau khi xây dựng xong mô hình solid cũng có thể

phải thực hiện các tha tác biến đỏi này.

• Biên tập (Editing)

Editing một solid gồm có thay đổi các thông tin Topo và hình học hiện hành của nó. Một

phương pháp hiệu chỉnh solid hiệu quả là sử dụng cây CSG của nó. Các hệ thống CAD cung

cấp co người sử dụng các phản hồi thị giác nhanh chóng khi solid được hiệu chỉnh, tức là

biểu diễn biên của nó phải được cập nhật và hiển thị nhanh chóng.

35  

Chương 3: Mô hình hóa Solid3D

3.1. Giới thiệu

Mục tiêu đầu tiên khi sử dụng hệ thống CAD/CAM là tạo ra được mô hình hình học

của một vật thể. Mô hình này được biểu diễn số hóa trong máy tính và ta có thể sử dụng

nó cho các nhiệm vụ vụ kỹ thuật sau này như phân tích (CAE) và sản xuất (CAM). Biểu

diễn mô hình cấu trúc hóa trong CSDL của nó và được lưu trong part file. Như ta đã biết,

mô hình hình học biểu diễn hoàn thiện, duy nhất , không nhập nhằng là mô hình khối rắn.

Đây thực sự là mô hình cần thiết cho các ứng dụng của các hệ thống CAD/CAM hiện

nay. Trong quá trình xây dựng mô hình solid của một vật thể ta cần sử dụng các khái

niệm mô hình hóa 3D. Thông thường ta cần phải định nghĩa và sử dụng các WCS khác

nhau để điều khiển quá trình mô hình hóa. Khi ta xây dựng các thực thể hình học, chúng

nằm trong mặt phẳng phác thảo (mặt phẳng XY) của WCS hiện hành. Việc tạo dựng mô

hình solid bắt đầu bằng việc tạo ra các điểm, đường và mặt. Tổ hợp của các thực thể này

cùng với các thao tác lệnh 3D như extrude hay revolve ,… sẽ tạo thành mô hình solid.

Người ta cũng sử dụng khái niệm về tham số (parametrics) để tạo ra các mô hình solid.

Khi đó ta chỉ cần tạo ra các hình học phác thảo một cách tự do, tương tự như ta vẽ phác

bằng tay. Ta có thể gán định kích thước cho nó ngay lúc tạo dựng hay sau này. Đây là

một khái niệm rất hữu ich giúp cho người thiết kế không phải lo nghĩ đến các kích thước

trong khi đang thiết kế hình dáng các vật thể và mô hình.

Cơ sở dữ liệu CAD/CAM được xây dựng lưu trữ đầy đủ định nghĩa 3D của một mô hình

solid. Như vậy CSDL hoàn toàn là 3D, liên hợp, tập trung và tích hợp. Tính chất liên hợp

(associativity) ngụ ý rằng thông tin mới có thể được sinh ra từ dữ liệu vào của người thiết

kế. Ví dụ như nếu hai điểm của một đoạn thẳng (line) được nhập vào thì chiều dài và

hướng của nó trong không gian sẽ được tính toán. Tính chất tập trung có nghĩa là mỗi

thay đổi hay bổ sung vào mô hình học từ một khung nhìn nào của nó sẽ được tự động cập

nhật vào khung nhìn hiện hành hay vào bất kỳ một khung nhìn nào được định nghĩa sau

này. Tính chất tích hợp ngụ ý là mô hình hình học của vật thể có thể được sử dụng ở tất

cả các giai đoạn của chu trình sản phẩm.

3.2. Các phương pháp mô hình hóa

Trong khi tất cả các hệ thống CAD/CAM tạo ra các mô hình solid tham số, người thiết kế

CAD có thể tạo ra các mô hình này bằng nhiều cách khác nhau. Người thiết kế có thể sử

dụng ba phương pháp sau để tạo dựng các mô hình solid. Các phương pháp này là:

phương pháp sử dụng các khối cơ sở (primitives), phương pháp sử dụng các đặc trưng

36  

(features) và phương pháp phác thảo (sketching). Sự tồn tại ba phương pháp này gắn với

sự phát triển qua nhiều năm của các bộ mô phỏng solid.

a. Phương pháp sử dụng các khối cơ sở (primitives)

Phương pháp này xem mô hình solid như là sự kết hợp của các khối cơ sở có hình dạng

đơn giản, phổ thông và tiêu chuẩn có thể kết hợp với nhau. Các khối cơ sở ở đây là : hộp

(block / box), trụ (cylinder), cầu (sphere), côn (cone), nêm (wedge), xuyến (torus). Các

khối cơ sở có thể kết hợp với nhau bằng các toán tử Boolean như phép hợp (union), phép

trừ (subtraction), phép giao (intersection).

b. Phương pháp sử dụng các đặc trưng (features)

Tương tự như phương pháp trên, phương pháp này sử dụng các đặc trưng thay cho các

khối cơ sở và nhúng các toán tử Boolean vào trong các định nghĩa feature. Ta có thể so

sánh hai phương pháp này bằng ví dụ sau đây:

Khi tạo một lỗ (hole) trong một khối (block), nếu theo phương pháp đầu, ta cần thực hiện

qua ba bước:

1. Tạo một khối hộp bằng cách sử dụng khối cơ sở block.

2. Tạo khối trụ (cylinder) ở vị trí và định hướng đúng so với khối hộp

3. Lấy khối hộp trừ đi khối trụ.

Nếu theo phương pháp thứ hai ta cần thực hiện qua hai bước sau:

1. Tạo khối hộp bằng cách sử dụng đặc trưng block.

2. Tạo lỗ trong khối hộp bằng cách tạo ra đặc trưng hole ở vị trí và định hướng

đúng so với khối hộp.

Trong phương pháp thứ hai, bước hai gộp cả hai bước 2 và ba trong phương pháp thứ

nhất.

c. Phương pháp phác thảo (sketching).

Phương pháp này tương tự với phương pháp thứ hai (sử dụng các đặc trưng), với môt sự

thay đổi sau đay.Thay cho việc chỉ sử dụng các hình dạng đã được định nghĩa trước như

là các lỗ (hole), các gân (rib), phương pháp này cho phép người thiết kế tạo ra nhiều các

đặc trưng phức tạp hơn, tổng quát hơn bắt đầu từ một phác thảo. Ví dụ như extrusion,

revolve, linear sweep, nonlinear sweep, loft, spirals, helicals. Người thiết kế CAD sử

dụng các thao tác lệnh 2D để phác thảo một vùng (region) hay một tiết diện ngang (cross

section). Sau đó sử dụng các thao tác lệnh 3D như là revolve, extrusion, … để tạo ra đặc

trưng.

Trong ba phương pháp trên, phương pháp phác thảo được dùng nhiều nhất, vì nó có đầy

đủ các ưu điểm của cả ba phương pháp. Nó cho phép tạo ra nhiều đặc trưng hơn so với

phương pháp thứ hai. Nó cũng cho phép các nhà viết phần mềm CAD/CAM tăng miền

37  

mô hình hóa của hệ thống mà không cần định nghĩa trước và lưu nhiều đặc trưng trong

các thư viện hệ thống. Phương pháp thứ ba cho phép tạo ra các đặc trưng theo yêu cầu.

Khi nào cần một đặc trưng ta có thể tạo ra nó bắt đầu bằng một phác thảo.

Phương pháp sử dụng các khối cơ sở ít được sử dụng nhất. Các nhà thiết kế CAD không

thích phương pháp này vì thuật ngữ của nó bắt nguồn từ lý thuyết tập hợp với các toán tử

Boolean. Hơn nữa hiệu chỉnh các solid tạo ra bằng cách này không thuận tiện. Ví dụ như

để loại bỏ một lỗ cần cộng (add) vào lỗ đó một khối trụ để bịt lại, trừ phi ta hiệu chỉnh cây

solid và loại bỏ nhánh hole và tái tạo lại solid.

Các hệ thống CAD/CAM lâu đời như CATIA, Unigraphics, I-DEAS hỗ trợ cả ba phương

pháp trên. Các hệ thống mới hơn như Pro/E và SolidWorks chỉ hỗ trợ phương pháp phác

thảo.

Phương pháp phác thảo thực hiện theo các bước sau để tạo ra một đặc trưng:

1. Lựa chọn hoặc định nghĩa một mặt phẳng phác thảo. Ta cần một mặt phẳng phác thảo

để vẽ phác hình học trên đó. Mặt phẳng phác thảo điều khiển hướng của hình học

phác thảo trong không gian mô hình hóa 3D.

2. Phác thảo profile 2D. Profile này thường đặc trưng là một tiết diện ngang của mô hình

3D cần xây dựng. Profile điển hình được tạo ra bởi các đường như line, arc, chamfer,

spline. Hình học phác thảo nằm trong mặt phẳng phác thảo kích hoạt hiện hành.

3. Thay đổi (modify) kích thước phác thảo và cập nhật vào phác thảo. Ta thay đổi kích

thước của profile tương ứng với kích thước cuối cùng của mô hình solid cần xây

dựng. Phác thảo thô được cung cấp ở bước hai và được làm tinh ở bước này. Sau khi

thay đổi kích thước, cập nhật vào phác thảo để phản ánh kích thước mới.

4. Tạo đặc trưng. Sử dụng một thao tác lệnh 3D nào đó, chẳng hạn như extrusion để tạo

ra đặc trưng.

Mặt phẳng phác thảo được chọn hay định nghĩa ở bước 1 thiết lập hướng của mô hình

trong không gian 3D. Ví dụ như nếu ta chọn mặt phẳng trước , profile ta vẽ ở bước 2 trở

thành hình chiếu đứng của mô hình 3D xây dựng. Nếu ta chọn mặt phẳng trên thay thế,

profile giống như vậy sẽ trở thành hình chiếu bằng của mô hình. Điều này tương tự như

quay mô hình 900.

3.3. Phác thảo (sketching)

Khi người thiết kế định nghĩa một phác thảo, họ cần viện đến bộ phác thảo (sketcher) của

hệ thống CAD. Sketcher cung cấp cho người thiết kế các thực thể và các công cụ phác

thảo khác nhau như lines, circles,…Ngoài ra Sketcher cũng cung cấp các hạn chế hình

học (constrains) và các quan hệ (relationships)

38  

Trạng thái phác thảo là một vấn đề quan trọng đối với Sketcher . Nếu một phác thảo

(profile) không được định nghĩa đúng, một solid hiệu lực không thể được tạo ra từ nó.

Sketcher dùng mã mầu để hiển thị hình học của phác thảo để thông báo cho người thiết

kế. Sau khi một phác thảo được tạo ra, nó có thể tồn tại ở 3 trạng thái. Một phác thảo

không xác định (underdefined/underconstrained được hiển thị mầu xanh.Các kích thước

bổ sung hoặc các quan hệ được yêu cầu. Một phác thảo đã được xác định đầy đủ (fully-

defined/ fully-constrained) được hiển thị bằng mầu đen, và không yêu cầu bổ sung kích

thước hay quan hệ. Một phác thảo bị định nghĩa vượt quá (overdefined/ overconstrained)

được hiển thị mầu đỏ. Khi đó phác thảo chứa các thông tin, các kích thước hay các quan

hệ hoặc cả hai bị xung đột. Chúng cần phải loại bỏ.

3.4. Các tham số và kích thước

Hiệu chỉnh mô hình solid dễ dàng là yêu cầu quan trọng trong khi thiết kế sản phẩm. Sự

dễ dàng trong hiệu chỉnh như vậy có nguồn gốc từ khái niệm tham số, khi một mô hình

được tham số hóa một cách tự động bởi hệ thống CAD/CAM trong quá trình xây dựng.

Người thiết kế có thể thay đổi giá trị của các tham số một cách dễ dàng và yêu cầu hệ

thống CAD/CAM phục hồi hay tái tạo lại mô hình.Ví dụ như trên hình vẽ sau mô tả một

mô hình solid đơn giản. Hệ thống CAD/CAM theo dõi kiểm soát tất cả các hạn chế hình

học cần thiết để duy trì tính hiệu lực của Topo mô hình,

Trong khi tạo dựng phác thảo, bộ mô phỏng solid đưa ra yêu cầu về tập tham số cần thiết

để yêu cầu định nghĩa đầy đủ phác thảo. Người thiết kế cần nhập vào các kích thước cho

các tham số này. Ví dụ trên hình vẽ là một khối với với một lỗ ở trong. Cần có 5 tham số

P1, P2, P3, P4, R để định nghĩa đầy đủ phác thảo. Người thiết kế có thể nhập các giá trị cho

các tham số này và phác thảo được vẽ lại tự động khi sử dụng chức năng tái tạo lại của hệ

thống CAD.

Hình 3.1: Các tham số của mô hình

P1

P2

P4

P3

39  

Các tham số kích thước để tham số hóa phác thảo không phải là cách duy nhất. Có thể có

nhiều cách để tham số hóa cùng một phác thảo. Chẳng hạn như dùng các hạn chế về hình

học và Topo hay các quan hệ giữa các thực thể của phác thảo. Ở ví dụ trên ta tập tham số

yêu cầu gồm tối thiểu là 5 tham số. Ta có thể bổ sung thêm các quan hệ , chẳng hạn như:

P3 = 0,5P1 ; P4 = 0,5P2; và R= 0,25P1 . Ta cũng có thể bổ sung các hạn chế vuông góc,

hay song song giữa các thực thể của phác thảo. Phương pháp mô hình hóa solid tham số được thực hiện qua 3 bước sau:

3.5. Các đặc trưng cơ sở (basic features)

Các hệ thống CAD/CAM cung cấp một tập các feature. Các feature cơ bản gồm có:

extrusion, revolution, hole, cut, sweep, loft, chamfer, rib, shell, draft, patterns, spiral,

helix.

Extrusion được dùng đẻ tạo ra mô hình có chiều dày không đổi. Để tạo ra đặc trưng này

cần phải có một tiết diện ngang và một vec tơ extrusion (hướng và độ lớn).

Revolution được dùng đẻ tạo ra mô hình tròn xoay. Để tạo ra đặc trưng này cần phải có

một tiết diện ngang, một trục quay và một góc quay.

Hole được dùng đẻ tạo ra các lỗ trong mô hình. Để tạo ra đặc trưng này cần phải có

đường kính (hay bán kính) lỗ, chiều dài lỗ và một trục định hướng lỗ.

Cut được dùng đẻ cắt vật liệu từ một feature khác đang tồn tại. Các hệ thống CAD

thường dùng các tên gọi khác nhau cho feature này. Các kiểu thường được thực hiện như

extruded cut, revolved cut, slot,..

Sweep được dùng đẻ tạo ra một mô hình với tiết diện ngang không đổi dọc theo một trục

phi tuyến. Đây là tổng quát hóa của Extrusion feature . Để tạo ra đặc trưng này cần phải

có một tiết diện ngang và một đường dẫn (sweep curve).

Loft được dùng để tạo ra một mô hình với tiết diện ngang thay đổi dọc theo một trục

tuyến tính hay phi tuyến. Đây là tổng quát hóa của sweep feature. Để tạo ra đặc trưng này

cần phải có một tập các tiết diện ngang. Có thể có đường dẫn (guide curve) để trộn các

tiết diện ngang. Khi không có đường dẫn, trộn tuyến tính được thực hiện.

Fillet và chamfer được dùng để thay đổi góc của một mô hình. Fillet được dùng để vê

tròn góc, trong khi chamfer được dùng để giới hạn các cạnh sắc của nó.

Rib được dùng để tăng cứng cho mô hình. Cần phải có một đường thẳng, các mặt cần

tăng cứng, và chiều dày để tạo ra rib.

Tạo các tham số (thông qua phác thảo Gán định kích thước Tái tạo lại

40  

Shell được dùng để khoét vật liệu ra khỏi một mô hình theo kiểu khoét rỗng “shelling”.

Cần phải có một mặt để shell và một chiều dày.

Draft được dùng để tạo ra vát côn ở các mặt của mô hình. Cần phải có một góc côn

(thường từ 50 đến 100) và các mặt cần vát côn.

Pattern là một mảng hình học được dùng để tạo ra các mô hình lặp lại theo một quy luật.

Một pattern có thể có mẫu hình chữ nhật hay hình tròn. Mẫu hình chữ nhật cần phải có

một feature cần lặp, khoảng cách giưa các vị trí lặp, số lần lặp. Mẫu hình hình tròn cần có

một feature cần lặp, một góc giữa các vị trí lặp.

Sprial được dùng để tạo ra các đường xoắn vít phẳng. Cần phải có một tiết diện ngang và

một đường xoắn vít phẳng. Đường xoắn vít cần có bước và số vòng xoắn.

Helix được dùng để tạo ra các đường xoắn vít không gian. Cần phải có một tiết diện

ngang và một đường xoắn vít không gian. Đường xoắn vít cần có bước, số vòng xoắn và

có thể có góc côn .

3.6. Các đặc trưng chuẩn (datum features)

Tạo dựng mô hình solid bắt đầu nhờ một phác thảo được kết hợp với thao tác lệnh để tạo

thành feature. Các feature lần lượt được tạo ra cho đến khi mô hình hoàn thiện. Hệ thống

CAD thường giả định rằng bất kỳ một hình học nào được tạo ra trong khi phác thảo là

một phần của profile trong quá trinh xây dựng. Ta cũng cần tạo ra các hình học để định

nghĩa các thao tác lệnh tạo dựng. Các hình học này không phải là thuộc về profile, và

được gọi là hình học chuẩn (Reference geometry).

Reference geometry là một dạng hình học đặc biệt được dùng để định nghĩa hình học

khác. Ví dụ như ta sử dụng một tiết diện ngang và một trục để tạo ra feature tròn xoay.

Tiết diện ngang là hình học thông thường, trong khi trục quay là hình học chuẩn. Hình

học chuẩn là một phần của định nghĩa feature và không thể bị xóa bỏ trừ phi xóa feature

trước. Hình học chuẩn được xếp vào dạng các feature chuẩn. Các hệ thống CAD cho phép

người thiết kế tạo ra các kiểu feature chuẩn như sau: plane, axis, curve, point, coordinate

system

Datum plane được dùng khi ta cần có một mặt phẳng tạo dựng phi tiêu chuẩn (các mặt

phẳng tiêu chuẩn là Top, Front, Right). Có nhiều cách để tạo ra các mặt phẳng chuẩn, tùy

thuộc vào các hệ thống CAD.

Datum axis được dùng với nhiều mục đích khác nhau bao gồm định nghĩa trục quay cho

các feature quay hoặc trục cho các mẫu hình (pattern) tròn,…

Datum curve hay datum point được dùng khi có nhu cầu tạo ra các đường hoặc các điểm

trong cơ sở dữ liệu mô hình cần thiết để định nghĩa một phác thảo. Ví dụ như khi cần một

41  

tập điểm để định ngĩa một đường spline. Ta có thể tạo ra các điểm một cách tường minh

trước, trước khi sử dụng chúng để tạo ra spline.

Datum coordinate system hữu ích khi ta cần hệ thống này để sử dụng một cách tạm thời

trong một vài tính toán như là đo chiều dài thực thể hay tính toán các thuộc tính khối

lượng thay cho sử dụng MCS.Nó cũng có thể được dùng để export tài liệu sang các định

dạng IGES,STL, STEP,…Các thông tin cần thiết để tạo ra một hệ thống tọa độ là truc X,

trục Y và gốc tọa độ

42  

Chương 4: Các đặc trưng (Features)

4.1. Giới thiệu

Feature được định nghĩa như là một hình dạng (shape) và một thao tác lệnh (operation) để tạo

dựng thành các chi tiết. Một hình dạng là một phác thảo 2D. Các hình dạng ví dụ như các vấu

lồi (bosses), các phần cắt bỏ đi (cuts), các lỗ (holes). Phác thảo được định hướng trong không

gian mô hình hóa 3D thông qua định hướng của mặt phẳng phác thảo. Các thực thể phác thảo

là các đường (curve) và/ hoặc các mặt (surface) phụ thuộc vào độ phức tạp của chi tiết cần

xây dựng. Một thao tác lệnh (operation) là một hoạt động sao cho biến đổi phác thảo thành

một hình dạng 3D. Ví dụ các thao tác lệnh như extrude, revolve, fillet, shell, chamfer, sweep.

Các toán từ Boolean được cài đặt sẵn trong các thao tác lệnh feature. Các hệ thống

CAD/CAM mới trên cơ sở feature như Pro/E và SolidWorks không cung cấp các toán tử

Boolean tường minh, trong khi các hệ thống lâu đời như Unigraphics , CATIA,.. hỗ trợ cả hai

dạng primitives và features.

Khái niệm feature có thể mở rộng, chẳng hạn như các feature gắn với các thuộc tính sản xuất

như các feature sản xuất (Manufacturing features). Ví dụ như feature lỗ gắn với quá trình

khoan, feature vê tròn (fillet) gắn với quá trình phay,…Trong chương này chỉ trình bày về các

feature hình học bao gồm hình dạng, dung sai, các feature lắp ráp.

Việc sử dụng các cây feature (mô tả quá trình hình thành chi tiết) cũng tương tự như cây

CSG. Người thiết kế có thể sắp xếp lại các feature trong cây để thay đổi lịch sử hình thành

solid. Sử dụng các feature để tạo chi tiết thường được thực hiện qua ba bước như sau:

1. Tạo các phác thảo. Một phác thảo là một profile 2D hay là một tiết diện ngang. Ta có

thể điều khiển hướng của phác thảo thông qua mặt phẳng phác thảo.

2. Tạo các feature. Sử dụng thao tác lệnh với phác thảo để tạo ra feature. Các phác thảo

có thể được kéo lên (extrude), quay (revolved), trộn (lofted), quét (sweep) dọc theo

một đường dẫn để tạo thành feature. Thao tác lệnh feature biến các phác thảo 2D

thành các hình dạng 3D.

3. Sử dụng các feature để xây dựng chi tiết. Kết hợp các feature lại để tạo thành chi tiết.

Thường sử dụng các toán tử cộng (Add) hay trừ (Subtract) các feature từ feature cơ sở

(base feature) trong quá trình tạo dựng

Các hệ thống CAD/CAM cung cấp cho người thiết kế rất nhiều các feature. Điều này cho

phép mở rộng phạm vi mô hình hóa hình học hơn rất nhiều so với các primitive.

4.2. Các feature thông dụng

43  

Các hệ thống CAD hiện nay đều cung cấp các feature cơ bản trình bày sau đây. Mỗi hệ thống

có thể có một vài feature đặc biệt. Nếu trong một hệ thống CAD không có một feature nào

đó, khi cần ta có thể dễ dàng tạo ra feature đó theo 3 bước trình bày trong phần trên.

1. Đặc trưng kéo lên (Extruded/protruded feature).

Đây là feature cơ bản nhất. Ta sử dụng nó để tạo ra mô hình solid của vật thể dạng 21/2D

với chiều dày không đổi. Để tạo dựng feature này cần có một profile (tiết diện ngang) và

một véc tơ extrusion (chiều dài và hướng). Hướng extrusion luôn vuông góc với mặt

phẳng phác thảo.

2. Đặc trưng quay (revolved feature)

Ta sử dụng feature này để tạo ra mô hình solid của vật thể dạng 21/2D tròn xoay. Để tạo

dựng feature này cần có một profile (tiết diện ngang) và một véc tơ quay (trục quay và

góc quay). Trục quay luôn nằm trong mặt phẳng phác thảo profile.

Trục quay

Mặt phẳng phác thảo trước (front)

Hình 4.2: Đặc trưng quay

Hình 4.1: Đặc trưng Extrusion

Vec tơ Extrusion

Mặt phẳng phác thảo trước (front)

Vec tơ Extrusion

44  

3. Đặc trưng quét (Sweep feature)

Quét là tổng quát hóa của extrusion. Có hai dạng quét: tuyến tính và phi tuyến. Quét tuyến

tính là quét một tiết diện ngang dọc theo một đường thẳng. Quét tuyến tính và extrusion tạo

các feature giống nhau. Quét phi tuyến có hai dạng. Dạng thứ nhất là quét một tiết diện ngang

dọc theo một đường dẫn (không phải là đường thẳng) (hình a). Dạng thứ hai là trộn hai tiết

diện ngang một cách tuyến tính (hình b), hay trộn hai tiết diện ngang một cách phi tuyến dọc

theo một đường dẫn (không phải là đường thẳng) (hình c). Tất cả các lệnh quét đều yêu cầu

đường dẫn phải vuông góc với mặt phẳng phác thảo của tiết diện ngang được quét. Để trộn

nhiều hơn hai tiết diện ngang, ta cần dùng feature trộn (loft feature)

4. Đặc trưng trộn (Loft feature)

Loft là tổng quát hóa của sweep. Ta sử dụng loft trộn nhiều tiết diện ngang để tạo dựng một

solid. Người ta cũng phân các đặc trưng loft thành hai dạng tuyến tính và phi tuyến. Loft

tuyến tính trộn hai tiết diện ngang một cách tuyến tính dọc theo một đường thẳng nối các

điểm góc của hai tiết diện ngang (hình a). Loft phi tuyến có hai dạng. Một dạng trộn hai tiết

Hình 4.3: Đặc trưng quét

a) Quét một tiết diện ngang dọc theo một đường dẫn

b) Quét tuyến tính qua hai tiết diện ngang

c) Quét hai tiết diện ngang dọc theo một đường dẫn

45  

diện ngang dọc theo một đường dẫn (không phải là đường thẳng). (hình b). Dạng kia là trộn

một tập các tiết diện ngang dọc theo một đường dẫn (hình c).

5. Đặc trưng vấu lồi (Boss)

Boss là một feature dạng extrusion hay revolution được ccoongj vào một feature cơ sở hay

cộng vào một solid đang có.

6. Đặc trưng trục (Shaft)

Shaft là một feature dạng extrusion với tiết diện ngang tròn.

7. Đặc trưng ống (Pipe)

Pipe là quét một tiết diện ngang tròn (đặc hoặc rỗng) dọc theo một đường dẫn (đường trục

của ống). Các tham số của ống là đường trục của nó, đường kính ống (hoặc chiều dày ống).

8. Đặc trưng cắt (Cut)

Hình 4.4: Đặc trưng Loft

a) Loft tuyến tính nối hai tiết diện ngang

b) Loft phi tuyến nối hai tiết diện ngang dọc theo một đường dẫn

b) Loft phi tuyến nối nhiều tiết diện ngang dọc theo một đường dẫn

Hình 4.5: Đặc trưng Pipe

46  

Đặc trưng này đối lập với đặc trưng boss. Cut là cắt bỏ đi một đặc trưng extrusion hay một

đặc trưng revolution từ một đặc trưng cơ sở hoặc từ một so lid đang hiện hành.

9. Đặc trưng lỗ (Hole)

Đặc trưng này tương đương với trừ đi mộ khối trụ từ một solid. Có 5 dạng đặc trưng lỗ được

trình bày trên hình vẽ.

10. Đặc trưng rãnh (Slot)

Rãnh tương tự như lỗ. Nó cắt bỏ vật liệu từ một solid. Có 5 dạng đặc trưng rãnh cơ bản được

trình bày trên hình vẽ.

11. Đặc trưng hốc (Pocket)

Pocket là một khoang, hốc trong một vật thể đang hiện hành. Có thể xem pocket như là một

slot bị bịt kín một phía.

12. Đặc trưng vỏ (Shell)

Hình 4.7: Đặc trưng Slot

Rectangular Slot Ball-end Slot T- Slot

U- Slot Dovetail Slot

Hình 4.6: Đặc trưng Hole

Lỗ thông Lỗ không thông (khoan) Lỗ không thông (phay)

Lỗ khoét bậc Lỗ khoét bậc trụ & côn Lỗ khoét bậc côn

47  

Lệnh shell được dùng để tạo ra solid rỗng (có vỏ, thành mỏng) bằng cách cắt bỏ đi vật liệu

trong khối đi. Về bản chất shell là sử dụng lệnh offset để khoét rỗng một solid. Dữ liệu ban

đầu cần có để shell là các bề mặt cần khoét và chiều dày thành (vỏ). Chiều dày này có thể

không đổi hay thay đổi. Để shell với nhiều chiều dày khác nhau, cần phải lựa chọn các mặt và

quy định chiều dày yêu cầu cho mỗi mặt.

13. Đặc trưng fillet.

Fillet được dùng để làm trơn (vê tròn) các cạnh sắc của solid. Có nhiều dạng fillet như: fillet với bán kính không đổi (mặc định), fillet với bán kính thay đổi, fillet the dạng setback, fillet vê tròn góc. Fillet the dạng setback là tạo ra sự chuyển đổi trơn giữa các bề mặt trộn, dọc theo cạnh của chi tiết cho đến tận góc. Dữ liệu đầu vào để tạo ra đặc trưng fillet là chọn cạnh cần fillet và bán kính fillet.    

14. Đặc trưng vát góc (Chamfer)

Hình 4.8: Đặc trưng ShellTrước khi shell Sau khi shell

Hình 4.9: Đặc trưng Fillet

Fillet với bán kính không đổi 

Fillet với bán kính thay đổi  Fillet dạng

Setback 

48  

Chamfer được dùng để loại bỏ cạnh sắc (hoặc góc sắc) khỏi chi tiết bằng cách tạo ra các cạnh

xiên trên cạnh, mặt đã chọn. Dữ liệu đầu vào để tạo chamfer là khoảng cách - góc, khoảng

cách – khoảng cách, hay vát góc ở đỉnh.

15. Đặc trưng vát côn (draft)

Draft thường được dùng trong các khuôn ép nhựa. Draft là góc giữa hướng đẩy sản phẩm ra

khỏi khuôn và bề mặt chi tiết. Để tạo draft ta cần chọn mặt được vát côn, góc vát côn, và mặt

phẳng chuẩn để xác định góc côn.

16. Đặc trưng gân (Rib)

Rib được dùng để tăng cứng vững. Rib là một dạng đặc biệt của đặc trưng extrusion. Nó bổ

sung thêm vật liệu vào một feature đang có.Có thể tạo rib từ một phác thảo (contour) hở hoặc

kín. Dữ liệu nhập vàođể tạo rib gồm có một contour và một chiều dày

Hình 4.11: Đặc trưng Draft

Feature khởi Draft đầy đủ Draft một phần 

contour

Hình 4.12: Đặc trưng Rib

Chiều dày

Sau khi chamfer Trước khi chamfer

Hình 4.10: Đặc trưng Chamfer

49  

17. Đặc trưng mặt bích (Flange)

Đây là đặc trưng revolution được bổ sung vào phần cuối của ống hoặc của một đặc trưng

Revolution khác.

18. Đặc trưng cổ (Neck)

Neck là phần rãnh đối diện với mặt bích. Nó được lấy vật liệu đi từ một đặc trưng Revolution

đang tồn tại. Neck được xem như là một đặc trưng cut tròn xoay.

19. Đặc trưng mẫu hình (Pattern)

Đặc trưng pattern dựa trên khái niệm mảng hình học. Pattern có thể có dạng mảng chữ nhật

(tuyến tính) hay mảng hình tròn. Đặc trưng Pattern có thể cách đều hay không. Nó cũng có

thể có kích thước khác nhau.

20. Đặc trưng xoắn vít (Spiral)

Spiral là một trường hợp đặc biệt của đặc trưng sweep. Dữ liệu cần có để tạo ra Spiral là một

profile để quét và một đường (dẫn hướng) quét. Đường (dẫn hướng) quét là một đường xoắn

vít. Giống như quét, đường dẫn phải vuông góc với profile tại giao điểm của chúng.

Hình 4.13: Đặc trưng Flange

Hình 4.14: Đặc trưng Pattern

Pattern dạng tròn, cách đều  Pattern dạng tròn, không cách đều Pattern tuyến tính, kích thước khác nhau 

50  

21. Đặc trưng lò xo (Spring)

Spring cũng giống như Spiral ngoại trừ profile (tiết diện ngang) là hình tròn.

22. Đặc trưng Dimple

Dimple là một vùng ép nhỏ lồi trên mặt một solid. Ta thường tạo một dimple trong một tấm

kim loại hay tấm với chiều dày nhỏ. Để tạo một dimple trong một solid mỏng, cần phải cut đi

một extrusion, tạo ra một profile của chỗ ép và quay nó tạo thành một boss.

23. Đặc trưng ren (Thread)

Hình 4.17: Đặc trưng Dimple 

Hình 4.15: Đặc trưng Spiral

Hình 4.16: Đặc trưng Spring

51  

Đặc trưng Thread tạo ren trên mặt trụ của lỗ, phần lồi, trụ, hoặc quét một đường tròn. Ren có

thể là phải hay trái. Các tham số của ren bao gồm chiều dài, góc profin ren, đường kính

ngoài, đường kính trong, bước ren.

24. Đặc trưng xoắn (Tweak)

Tweak là một đặc trưng làm thay đổi bề mặt

25. Đặc trưng giao (Intersect)

Đặc trưng này thực hiện toán tử Boolean-phép giao. Các hệ thống CAD trên cơ sở feature

như Pro/E cung cấp toán tử này, cho phép người thiết kế giao các feature với nhau.

4.3. Biểu diễn feature.

Mục đích chính ban đầu khi xuất hiện khái niệm feature là để lưu giữ các thông tin định nghĩa

sản phẩm bao gồm cả các dữ liệu thiết kế và dữ liệu sản xuất được bổ sung vào thông tin hình

dạng hình học của sản phẩm. Biểu diễn feature cung cấp đầy đủ các dữ liệu này. Tuy vậy, các

hệ thống CAD cung cấp phần lớn là các feature về hình dạng hình học. Các feature này chỉ

lưu giữ các thông tin về hình dạng. Vì vậy chỉ giới hạn phạm vi khảo sát ở đây là các feature

hình dạng.

Biểu diễn của các feature hình dạng thường chứa các thuộc tính và dữ liệu sau:

1. Hình dạng (shape). Hình học và thông tin topo của một feature là dữ liệu quan trọng

nhất. Cả hai loại thông tin này đều cần thiết vì các feature này thực chất là các mô hình

solid. Hình dạng của các feature không bị hạn chế như là các primitive.

2. Các tham số cấu hình. Tất cả các tham số và giá trị của chúng định nghĩa đầy đủ một

feature là một phần biểu diễn của nó.

3. Các giá trị mặc định. Các giá trị này trở thành một phần của giao diện đồ họa người sử

dụng (GUI = Graphics User Interface) mà người thiết kế CAD sử dụng để tạo ra các

feature. Người thiết kế có thể chấp nhận hay thay đổi các giá trị này. Các giá trị mặc định

hữu ích khi người thiết kế thử nghiệm thiết kế ý tưởng và không muốn dành quá nhiều thời

gian cho định kích thước feature.

4. Các tham số định vị và định hướng. Tương tự các primitive, các tham số định vị và định

hướng cuả feature định vị và định hướng hệ tọa độ địa phương của nó đối với WCS trong

quá tình xây dựng.

5. Các quan hệ. Các tham số feature có thể quan hệ với các tham số khác thông qua các

Các quan hệ và phương trình (trình bày chi tiết trong mục 4.6)

6. Các hạn chế (Constraint). Có nhiều dạng hạn chế hình học và hạn chế sản xuất. Trong

mục 4.7 trình bày chi tiết các hạn chế hình học.

52  

7. Các feature phức hợp. Các feature cá thể được kết hợp tạo ra các feature phức hợp.

Feature đầu tiên mà các feature khác được kết hợp với nó gọi là feature cơ sở (base feature)

8. Biểu diễn tượng trưng (symbolic) và dạng sơ đồ (skeletal). Các hệ thống CAD không

cung cấp các dạng biểu diễn này. Tuy nhiên chúng là cần thiết trong giai đoạn đầu của thiết

kế và phân tích. Ví dụ ta có thể sử dụng các đường tâm và các khớp nối để phân tích các cơ

cấu và các cấu trúc. Ta cũng sử dụng một bao các đối tượng để thực hiện phân tích một

cách nhanh chóng để đi tới các quyết định thiết kế.

9. Hiệu lực của feature. Khi ta xóa (delete) hoặc bổ sung (add) các feature từ hoặc đến

feature đang hiện hành, feature phức hợp tạo ra phải có hiệu lực. Hiệu lực của feature này

bao gồm hiệu lực của các feature thành phần, xác định các kích thước và giới hạn vị trí,

hiệu lực tương tác với các feature khác.

4.4. Phác thảo 3D.

Tất cả các feature đều cần phác thảo 2D. Người thiết kế có thể cần gọi đến bộ phác thảo

(sketcher) tùy theo từng hệ thống CAD. Người thiết kế chọn mặt phẳng phác thảo và bắt đầu

vẽ phác profin của feature. Qúa trình này được xem là phác thảo 2D. Cũng có thể sử dụng

phác thảo 3D khi cần. Tất cả các hệ thống CAD, kể cả các hệ thống trên cơ sở feature như

SolidWorks hay Pro/E đều cho phép người thiết kế tạo ra các phác thảo 3D. Các phác thảo

3D có thể được dùng như là đường dẫn quét, các đường dẫn hướng cho trộn (loft) hay quét

(sweep), hay là các đường tâm cho loft và pipe.

Các hệ thống CAD có thể cung cấp biểu tượng (icon) phác thảo 3D, hoặc người sử dụng có

thể nhập một cách đơn giản các điểm bằng các tọa độ (x,y,z) trong WCS. Các thực thể phác

thảo 3D bao gồm các point, line, B-spline, fillet, centerline, chamfer,..

4.5. Các tham số

Tham số là một đặc tính hiệu quả của feature. Biểu diễn tham số cung cấp các khả năng mô

hình hóa không giới hạn. Nó tạo ra các họ chi tiết. T ham số hỗ trợ cho khái niệm về thay đổi

và hiệu chỉnh các solid feature khi các thay đổi thiết kế xảy ra trong chu kỳ tuổi thọ sản

phẩm. Tham số cũng hỗ trợ cho ý niệm về sử dụng lại mô hình. Nó cho phép người thiết kế

thay đổi kích thước trong một mô hình đang hiện hành để sử dụng lại nó. Nhiều hoạt động

thiết kế trong thực tế liên quan đến việc chỉnh sửa lại mô hình đang hiện hành. Hơn nữa, nếu

thiết kế là phức tạp và cần đầu tư thời gian đáng kể để tạo dựng, tham số có thể tiết kiệm thời

gian và công sức bằng cách tạo ra một vài thay đổi để chỉnh sửa mô hình đang hiện hành,

thay cho xây dựng lại toàn bộ mô hình. Các hệ thống CAD nói chung thực hiện xây dựng các

feature tham số theo các bước như trên hình 4.18. ý tưởng cơ bản ở đây là tham số hóa

feature trước tiên, sau đó mới định các kích thước (giá trị), các quan hệ, và các hạn chế với

các tham số. Một vài hệ thống CAD có thể tạo ra các tham số của feature và định kích thước

53  

cho chúng ngay khi người thiết kế tạo ra các feature, trong khi các hệ thống khác lại chờ cho

người thiết kế xác định các tham số một cách tường minh. Ba tập dữ liệu kích thước

(dimensions), quan hệ (relations), hạn chế (constraints) có quan hệ với nhau, và có thể có sự

xung đột với nhau theo cách này hay cách khác tại thời điểm nào đó trong quá trình mô hình

hóa. Người thiết kế cần phải thay đổi dữ liệu để giải quyết các xung đột này.

4.6. Các quan hệ (relation)

Mô hình hóa trên cơ sở các primitive có những hạn chế. Người thiết kế không thể phối

hợp tính thông minh (ý định thiết kế) như là các quan hệ và các hạn chế vào trong mô

hình. Thay đổi một primitive không có ảnh hưởng gì đến các primitive khác. Với tham số

thì khác hẳn. Ví dụ như, người thiết kế có thể tạo một chi tiết với một lỗ được định vị

cách đều 2 cạnh là 20 mm. Nếu thay đổi mô hình bằng cách di chuyển các cạnh hay thay

đổi đường kính lỗ, quan hệ tham số sẽ định vị lại lỗ đảm bảo ý định thiết kế ban đầu (tâm

lỗ cách đều các cạnh 20 mm). Với mô hình trên cơ sở các primitive, người thiết kế phải

thao tác bằng tay điều chỉnh vị trí lỗ, điều này có thể ảnh hưởng xấu đến toàn bộ mô hình,

đặc biệt là đối với những mô hình phức tạp. Các chi tiết có các quan hệ đại số hay các

Tạo phác thảo

Định nghĩa các tham số

Định kích thước (giá trị) cho các tham số

Lập các quan hệ

Lập các hạn chế

Tạo feature

Thành công ?Tạo dựng thất bại

Feature được tạo dựng

Tiếp tục mô hình hóa

Hình 4.18: Tạo dựng các feature tham số

54  

quan hệ khác giữa một vài kích thước đặc trưng là thích hợp đối với mô hình hóa trên cơ

sở feature vì các giá trị mới có thể được dùng điều khiển và thao tác mô hình tại mọi thời

điểm. Một quan hệ là một phương thức toán học để mô tả các tham số phác thảo có quan

hệ với nhau như thế nào. Quan hệ sử dụng các biến (variable), tên kích thước, biểu thức,

phương trình đại số. Tương tự như trong ngôn ngữ lập trình, một biến là một tên có thể có

thể có nhiều giá trị tại một thời điểm. Một tên kích thước là một tên tham số trong khi mô

hình hóa feature. Sự khác nhau giữa một biến và một tên kích thước là: biến không phải là

tham số phác thảo, còn tên kích thước là tham số phác thảo.

Một biểu thức là một tập hợp nhiều biến và tên kích thước được tổ hợp với nhau bằng các

toán tử. Một phương trình là một phép gán một biến bằng một biểu thức. Biểu thức cần phải

được định giá trị bằng số và được lưu trong biến. Biểu thức cũng có thể có các biến trong đó.

Ví dụ:

variables: input1, input2,..

dimension names: length, diameter,…

expression: 3*length – 1,5*diameter/3

equation: height = 3*length – 1,5*diameter/3

Quan hệ là các phương trình. Ta cần phải định nghĩa các biến và các tên kích thước để sau

đấy sử dụng chúng định nghĩa các biểu thức. Ta gán các biểu thức cho các tham số phác thảo

để tạo ra các quan hệ.

Một hệ thống CAD tạo ra các quan hệ ẩn mỗi khi người sử dụng nhập các thông tin vào hệ

thống để định kích thước một feature hạy quy định vị trí cho nó. Các quan hệ cũng được tạo

ra khi người sử dụng định kích thước một phác thảo hay thay đổi vị trí của nó.

Các quan hệ có cú pháp riêng của chúng bắt chước các ngôn ngữ lập trình. Chẳng hạn như

tên của các biến và tên kích thước không được chứa dấu cách, và thường là các chữ nhạy

cảm. Các quan hệ có thể tham chiếu đến các quan hệ khác.Ví dụ như: length = 2+3*p1, với p1

cũng là một quan hệ.

Hệ thống CAD cung cấp các hàm toán học cho phép người sử dụng định nghĩa các quan hệ.

Các hàm này tạo ra các thư viện hệ thống. Các hàm mẫu như: giá trị tuyệt đối (abs), các hàm

lượng giác (sin, sin-1,…), logarithm (log),…

Người sử dụng CAD cần một phương tiện để viết ra các quan hệ. Một số hệ thống CAD sử

dụng trình soạn thảo của hệ điều hành đang cài phần mềm CAD. Ví dụ như Pro/E sử dụng vi

editor của hệ điều hành Unix. Người sử dụng cũng có thể cấu hình lại hệ thống của họ để sử

dụng một trình soạn thảo lựa chọn.

Các hệ thống CAD khác như SolidvWork sử dụng các trang (spreadsheet) giống như

Microsoft Excel. Các trang này sử dụng như các bảng quan hệ. Người sử dụng có thể dùng

55  

các cột của trang để định nghĩa các biến và các quan hệ giữa chúng. Người sử dụng có thể

quy định các giá trị mới trong trang và cập nhật vào mô hình.

Có thể đưa ra một trình tự chung để tạo và sử dụng các quan hệ và các bảng của chúng trên

các hệ thống CAD như sau:

1. Thay đổi tên các feature.

2. Thay đổi tên các tham số của feature.

3. Liên kết các giá trị của các feature.

4. Thay đổi giá trị và tạo dựng lại chi tiết

5. Tạo các quan hệ.

6. Tạo các bảng quan hệ.

4.7. Các hạn chế hình học (Geometric constraints).

Các constraint bổ sung tính thông minh cho phác thảo, giúp cho duy trì được mục đích thiết

kế khi người thiết kế điều chỉnh mô hình. Chẳng hạn như, hạn chế hình học phác thảo về tính

đối xứng giúp cho người thiết kế hiệu chỉnh chiều dài và chiều rộng của phác thảo ở một

phía, thì ở phía đối diện sẽ được tự động cập nhật giống như vậy. Người thiết kế có thể hiệu

chỉnh các hạn chế thông minh này bất cứ lúc nào. Các hạn chế được áp dụng cho các thực thể

phác thảo, vì vậy về bản chất chúng có thuộc tính hình học. Các hạn chế bao gồm: trùng nhau

(coincident), đồng tâm (concentric), song song (parallel), vuông góc (perpendicular), tiếp

tuyến (tangent), bán kính bằng nhau (equal radius), khoảng cách bằng nhau (equal distance),

trung điểm (midpoint), đối xứng (symmetric), phương ngang (horizontal), phương đứng

(vertical). Một constraint được định nghĩa như là một điều kiện hình học liên kết hai hoặc

nhiều thực thể phác thảo.

Các hệ thống CAD cho phép người sử dụng có thể thực hiện phương thức hạn chế tự động.

Hạn chế tự động là một công cụ hữu ích cho nhập vào hình học phác thảo các chi tiết hiện

hành vì nó sẽ giúp cho nhanh chóng định các hạn chế đến các thực thể phác thảo một cách

logic.

Hầu hết các hạn chế hình học đòi hỏi chọn hai thực thể phác thảo, trong đó một thực thể được

xem như là chuẩn. Trên bảng 4.1. trình bày ý nghĩa hình học của các hạn chế thường dùng

nhất.

Bảng 4.1. Các hạn chế hình học

TT Hạn chế hình học Trước khi dùng hạn chế Sau khi dùng hạn chế

1 Coincident

Các vị trí khác nhau Cùng một vị trí 2 Collinear

L1L2 L1 L2

56  

Các vị trí khác nhau cùng trên đường thẳng 3 Concentric

Các tâm khác nhau Đồng tâm 4 Constant angle

Góc θ có thể thay đổi

Góc θ không thể thay đổi 

5 Constant length  

Chiều dài L có thể thay đổi  

Chiều dài L khôngthể thay đổi 6 Coradial

 

Không cùng bán kính  

Cùng bán kính

7 Equal

 

L1 ≠L2 ; θ1 ≠ θ2

 

L1 =L2 ; θ1 = θ2

8 Fix

 

P1 có thể chuyển động  

P1 không thể chuyển động

9 Horizontal Line không nằm ngang

Line phải nằm ngang

10 Intersection

L1 và L2 có thể hay không giao nhau

L1 và L2 phải giao nhau

11 Merge points

 

P1 và P2 là hai điểm khác nhau  

P1 và P2 là hai điểm trùng nhau tại P

12 Midpoint

 

P là một điểm nào đó  

P là điểm giữa M của Line

L1L2 L1

L2

57  

13 Mirror

 

Hai vùng R1 và R2  

Vùng R2 phải đối xứng với vùng R1 14 Parallel

 

L1 và L2 không song song  

L1 và L2 phảig song song với nhau

15 Perpendicular

 

L1 và L2 không vuông góc  

L1 và L2 phải vuông góc với nhau

16 Pierce

 

Đường cong C1 và đường tròn C2

vừa chạm nhau ở điểm p

 

Đường cong C1 và đường tròn C2 chạm

nhau ở điểm p và vượt quá 1 chút

17 Symmetric

 

Hai nửa có thể đối xứng

 

Hai nửa phải đối xứng

18 Tangent

 

Các đối tượng không tiếp tuyến  

Các đối tượng tiếp tuyến

19 Vertical

 

Line không thẳng đứng  

Line phải thẳng đứng

58  

Chương 5: Mô hình hóa lắp ráp

5.1. Giới thiệu

Trong hầu hết các thiết kế cơ khí, sản phẩm cuối cùng thường là tập hợp nhiều chi tiết tạo

thành lắp ráp (assembly). Mô hình hóa và biểu diễn lắp ráp cũng như phân tích lắp ráp là

những vấn đề thuộc về mô hình hóa hình học và công nghệ CAD/CAM. Các chi tiết (part)

và/ hoặc các bộ phận (subassembly) của một sản phẩm đã cho có thể được mô hình hóa

một cách độc lập bởi nhiều người thiết kế, thường là trên cùng một hệ thống CAD/CAM.

Các bản sao (instance) của các chi tiết này sau đó có thể lắp vào một chi tiết cơ sở tạo

thành mô hình lắp ráp.

Mô hình lắp ráp được xem như mở rộng của mô hình hóa chi tiết. Các hệ thống

CAD/CAM cung cấp cho người sử dụng phương thức lắp ráp để tạo các lắp ráp .

Mô hình hóa lắp ráp nảy sinh hai vấn đề về mô hình hóa không có khi mô hình hóa ở mức

chi tiết là: hệ thống thứ bậc (hierachi) và lắp ghép (mating).

Đối với mỗi lắp ráp hay sản phẩm, các chi tiết đơn lẻ và các bộ phận phải được lắp ráp với

nhau theo một trình tự đúng và hệ thống thứ bậc này được lưu lại trong một cây lắp ráp.

Có thể có nhiều cây lắp ráp cho một lắp ráp, vì có thể có nhiều trình tự khác nhau tạo ra

cùng một lắp ráp.

Các điều kiện lắp ghép được dùng để xác định lắp ghép (quan hệ không gian và định

hướng) giữa các chi tiết của lắp ráp. Ví dụ như các đường trục của trục và lỗ lắp ghép với

nhau phải trùng nhau. Khi đó cần phải có điều kiện lắp ghép đồng trục (concentric). Hai

mặt phẳng của hai chi tiết phải trên cùng một mặt phẳng. Khi đó cần sử dụng điều kiện

đồng phẳng (coplanar).

5.2. Mô hình hóa lắp ráp

Một lắp ráp là một tập hợp của nhiều chi tiết. Cần phải hiểu được bản chất và cấu trúc phụ

thuộc giữa các chi tiết trong lắp ráp với nhau để có thể mô hình hóa đúng lắp ráp. Trên

hình 5.1. trình bày sơ đồ mô hình hóa lắp ráp. Người thiết kế trước tiên cần tạo ra các chi

tiết. Có thể phân tích các chi tiết này một cách riêng rẽ. Sau khi thiết kế xong các chi tiết,

người thiết kế có thể tiến hành tạo lắp ráp và phân tích nó. Tạo môt lắp ráp từ các chi tiết

đòi hỏi phải quy định các quan hệ không gian và lắp ghép giữa chúng với nhau. Phân tích

lắp ráp có thể bao gồm kiểm tra giao nhau, xác định thuộc tính khối lượng, phân tích động

học và động lực học, FEA. Hệ thống CAD xác lập kết nối giữa một lắp ráp và các chi tiết

của nó sao cho khi người thiết kế hiệu chỉnh thiết kế các chi tiết thành phần thì hệ thống sẽ

tự động cập nhật vào mô hình lắp ráp.

59  

5.3. Cây lắp ráp

Phương pháp biểu diễn quan hệ thứ bậc giữa các chi tiết của một lắp ráp là sử dụng một

cây lắp ráp (hình 5.2). Một lắp ráp được chia thành nhiều lắp ráp nhỏ (bộ phận) ở các mức

khác nhau (tương ứng với các mức chiều cao của cây). Mỗi lắp ráp nhỏ ở một mức (n-1)

lại được cấu thành từ nhiều chi tiết khác nhau. Các lá của cây biểu diễn các chi tiết cá thể

hoặc các lắp ráp con. Các nút của cây biểu diễn các chi tiết và/ hoặc các lắp ráp con, còn

bản thân gốc của nó biểu diễn cả cụm lắp ráp. Lắp ráp được đặt ở gốc của cây tức là ở mức

cao 0 ứng với mức cao nhất n của trình tự lắp ráp.

Hệ thống CAD

Mô hình hình học chi tiết 2 Phân tích chi tiết

Phương thức lắp ráp

Mô hình lắp ráp Phân tích lắp ráp

Mô hình hình học chi tiết 1

Mô hình hình học chi tiết n

…..

Hình 5.1: Tạo mô hình lắp ráp

Hình 5.2: Cây lắp ráp

60  

5.4. Lập kế hoạch tạo lắp ráp

Lập kế hoạch lắp ráp là cơ sở quan trọng để tạo thành công lắp ráp, đặc biệt là với các lắp ráp

lớn, phức tạp thường gặp trong thực tế. Vấn đề quan trọng ở đây là không chỉ tạo thành lắp

ráp mà lắp ráp này còn phải được cập nhật sau này khi thay đổi thiết kế các chi thiết thành

phần. Việc cập nhật này phải được thực hiện tự động, và chính xác vì các mô hình lắp ráp là

các mô hình tham số và linh hoạt. Điều này có nghĩa là quan hệ giữa các chi tiết của lắp ráp

cần dễ dàng thay đổi và cập nhật. Khi một người thiết kế thay đổi một số tham số của lắp ráp,

các người thiết kế khác cần cập nhật theo.

Trước khi xây dựng một lắp ráp cần xem xét một số vấn đề sau:

Ly hợp

Trục tải

Khung

Bu lông

Moay ơ  Động cơ điện

Phần ứng

Bánh răng nhỏ

Vật liệu chịu ma sát

Rô to

Trục Rô to

Điện trường

Bánh răng

Bánh răng nhỏ

Hình 5.4: Cây lắp ráp ly hợp điện

Khung Bu long

Rô to

Vật liệu chịu ma sát

Phần ứng

Cuộn dây

Moay ơ

Trục tải Trục rô to Bánh răng nhỏ

Bánh răng

Động cơ điện

Cuộn dây

Hình 5.3: Lắp ráp ly hợp điện

61  

1. Nhận dạng sự phụ thuộc giữa các thành phần của lắp ráp. Các thành phần của lắp ráp là các

chi tiết cá thể, hay là các cụm lắp ráp nhỏ hoàn chỉnh, và bản thân các cụm này lại gồm nhiều

cụm lắp ráp nhỏ hơn và/ hoặc gồm các chi tiết. Nhận dạng các phụ thuộc này sẽ giúp ta quyết

định chọn trong các phương pháp bottom-up, top-down, phương pháp kết hợp, phương pháp

nào là tốt nhất để tạo ra lắp ráp.

2. Nhận dạng sự phụ thuộc giữa các feature của mỗi chi tiết. Các phụ thuộc này bao gồm tính

đối xứng (symmetry) và các mảng hình học (geometric array/pattern)

3. Phân tích trình tự lắp ráp các chi tiết. Trình tự này sẽ quyết định đến tính dễ dàng của quá

trình lắp ráp trong thực tế, cũng như quyết định đến giá thành trong việc tạo lắp ráp, và ảnh

hưởng đến quá trình sản xuất các chi tiết

5.5. Các điều kiện lắp ghép

Khi sử dụng hệ thống CAD/CAM, các chi tiết cá thể của một lắp ráp thường được tạo ra một

cách riêng rẽ, sau đó được lắp ghép với nhau bằng cách sử dụng lệnh merge hay insert. Mỗi

chi tiết đều có cơ sở dữ liệu riêng với một MCS riêng của nó. Thông thường người thiết kế

thường chọn một chi tiết cơ sở (base /host part) và lắp các chi tiết khác vào nó. Mặt khác

cũng có thể bắt đầu với một chi tiết rỗng (blank part) như là chi tiết cơ sở. MCS của chi tiết

cơ sở trở thành hệ tọa độ chung, một MCS của cả lắp ráp. Mỗi MCS của một chi tiết trở

thành một hệ tọa độ địa phương đối với chi tiết này.

Vị trí chính xác cuối cùng của mỗi chi tiết trong lắp ráp nhận được bằng cách định vị và định

hướng thích hợp MCS của nó đối với hệ tọa độ chung của cả lắp ráp. Trên hình…. Trình bày

một ví dụ. Hệ tọa độ chung của cơ sở dữ liệu mô hình lắp ráp là XYZ. Điểm gốc O của nó là

điểm (0, 0, 0). Các hệ tọa độ X1Y1Z1, X2Y2Z2, X3Y3Z3, X4Y4Z4 là các hệ tọa độ địa phương

của 4 chi tiết thành phần của lắp ráp. Các điểm gốc của chúng O1, O2, O3, O4 được định vị

phù hợp với điểm gốc O của lắp ráp.

O1

O 

Z

Y

X

O2Z2 

X2

Y2

Z1X1

Y1

Z3

X3 

Y3

Z4X4

Y4

O3

O4

Hình 5.5: Các hệ trục tọa độ khi lắp

62  

Định hướng của các hệ tọa độ này tương đối với hệ XYZ cũng phải thể hiện đúng định hướng

của các chi tiết trong lắp ráp.

Định vị và định hướng các chi tiết trong lắp ráp của chúng đạt được bằng cách quy định các

điều kiện lắp ghép chúng với nhau. Các điều kiện này quy định các quan hệ không gian giữa

các chi tiết. Các điều kiện lắp ghép có tính tương tác và dễ dàng vì chúng sử dụng các thực

thể hình học đơn giản như các mặt (face) và các đường tâm (centerline). Chẳng hạn như điều

kiện lắp ghép có thể là các mặt đồng phẳng và đối tiếp với nhau, hay các đường tâm của hai

chi tiết phải thẳng hàng,…

Các điều kiện lắp ghép thông dụng nhất là: coincident (trùng nhau), concentric (đồng tâm),

tangent (tiếp tuyến), coplanar (đồng phẳng), parallel faces (các mặt song song) và

perpendicular faces (các mặt vuông góc). Khi sử dụng các điều kiện lắp ghép để lắp hai chi

tiết với nhau, cần chú ý rằng có 6 bậc tự do trong không gian E3: 3 bậc tịnh tiến dọc theo các

trục của MCS chung của lắp ráp và 3 bậc quay quanh các trục này. Một chi tiết cần phải được

hạn chế đầy đủ để cho phép tạo ra lắp ráp đúng. Ví dụ các điều kiện lắp ghép giữa hai chi tiết

có thể yêu cầu điều kiện coincident của hai mặt và hai điểm trên hai mặt đó. Nếu chúng ta lắp

hai mặt chỉ sử dụng điều kiện coincident của hai mặt thì chúng có thể quay tương đối với

nhau.

Điều kiện coincident được áp dụng giữa hai mặt phẳng hoặc giữa một mặt phẳng và

một mặt trụ (trục). Điều kiện này được mô tả trên hình 5.6. Chi tiết 1 và chi tiết 2 có các

MCS tương ứng là X1Y1Z1 và X2Y2Z2. Các bề mặt được gạch mặt cắt là các mặt lắp ghép.

Mỗi bề mặt này được quy định bởi véc tơ pháp tuyến đơn vị và một điểm nào đó trên bề mặt

ứng với MCS của chi tiết. Bề mặt phẳng của chi tiết 1 được quy định bởi véc tơ pháp tuyến

đơn vị n1 và bởi điểm P1 ứng với hệ tọa độ X1Y1Z1. Tương tự, bề mặt phẳng của chi tiết 2

được quy định bởi véc tơ pháp tuyến đơn vị n2 và bởi điểm P2 ứng với hệ tọa độ X2Y2Z2.

Điều kiện coincident được thỏa mãn bằng cách buộc n1 và n2 hướng ngược nhau và hai bề

mặt tiếp xúc với nhau sao cho P1 và P2 là trùng nhau.

Hình 5.6: Điều kiện coincident

63  

Điều kiện concentric được thực hiện giữa hai mặt trụ: Một bề mặt trụ của trục, và một

bề mặt trụ của lỗ như trên hình 5.7. Điều kiện này được thực hiện bằng cách buộc các đường

trục của trục và lỗ phải trùng nhau. Mỗi đường trục được quy định bởi 2 điểm. Đường trục

của lỗ được quy định bởi 2 điểm P1 và P2 xác định trong MCS X1Y1Z1. Tương tự như vậy,

Đường trục của trục được quy định bởi 2 điểm P3 và P4 xác định trong MCS X2Y2Z2.

Điều kiện tangent được áp dụng giữa mặt phẳng và mặt trụ hoặc giữa hai mặt trụ.

Như mô tả trên hình5.8. Điều kiện này được thực hiện bằng cách buộc bề mặt trụ phải tiếp

tuyến với bề mặt phẳng.

Điều kiện coplanar được thực hiện giữa hai mặt phẳng, buộc chúng phải nằm trên

cùng một mặt phẳng. Điều kiện này được mô tả trên hình 5.9. Tương tự như điều kiện

coincident , ngoại trừ điều kiện các điểm P1 và P2 được chọn nằm trên hai cạnh được ghép

trùng với nhau. Điều kiện coplanar ngược với điều kiện kiện coincident. Điều kiện này buộc

hai pháp tuyến n1 và n2 phải đồng hướng.

Hình 5.8: Điều kiện tangent

Hình 5.7: Điều kiện concentric

64  

Các điều kiện coincident, concentric, tangent, coplanar như mô tả ở trên cho phép cả hai

bậc chuyển động tự do tịnh tiến và quay giữa hai chi tiết lắp ghép. Trong điều kiện lắp ghép

coincident trên hình5.6 chi tiết 2 có thể trượt trên chi tiết 1 hoặc quay tương đối với nhau sau

khi 2 mặt được ghép với nhau bởi 2 định hướng pháp tuyến n1 và n2 . Tương tự trên hình 5.7

trục có thể trượt hoặc quay ở trong lỗ. Các chuyển động này có thể bị hạn chế bằng cách bổ

sung thêm các hạn chế (constrain) cho các điều kiện lắp ghép đó.

Điều kiện parallel faces tương tự như điều kiện concentric, ngoại trừ điều là 2 bề mặt lắp

ghép không tiếp xúc với nhau. Điều kiện này được thực hiện bằng cách buộc pháp tuyến của

2 mặt phải song song và ngược chiều nhau. Điều kiện perpendicular faces quy định 2 mặt

phải vuông góc với nhau. Hai mặt tô bóng ở chi tiết 1 và chi tiết 2 trên hình 5.8 vuông góc

với nhau bằng cách buộc 2 pháp tuyến n1 và n2 vuông góc với nhau.

5.6. Phương pháp lắp ráp Bottom-up

Đây là phương pháp thông dụng nhất vì nó là phương pháp truyền thống và logic nhất. Ở đây,

chúng ta tạo ra các chi tiết các thể một cách độc lập, rồi nhập (insert) chúng vào thành một

lắp ráp với việc sử dụng các điều kiện lắp ghép để định vị và định hướng chúng trong lắp ráp

theo yêu cầu thiết kế lắp ráp. Qúa trình mô hình hóa lắp ráp bắt đầu bằng việc tạo ra một mô

hình lắp ráp rỗng khi mở phương thức assembly của hệ thống CAD. Sau đó ta nhập (import/

Hình 5.9: Điều kiện coplanar

65  

insert) lần lượt các chi tiết của lắp ráp vào trong mô hình. Chi tiết đầu tiên nhập vào được

xem như là chi tiết chính (cơ sở), và các chi tiết khác được lắp vào nó. Ta sử dụng các điều

kiện lắp ghép thích hợp để đặt và định hướng đúng các chi tiết nhập vào trong mô hình lắp

ráp. Khi ta nhập các chi tiết vào trong lắp ráp, thực chất là ta nhập vào các bản sao của chúng.

Các bản sao này được gọi là các instance. Ta có thể dùng nhiều instance của một chi tiết, nếu

lắp ráp yêu cầu. Phần mềm CAD duy trì kết nối (link) giữa mỗi instance và chi tiết gốc của

nó. Nếu ta thay đổi chi tiết gốc, ta có thể thay đối tất cả các instance của nó trong một lắp ráp

bằng cách cập nhật (update) lại lắp ráp. Kết nối trong lắp ráp là 2 chiều: ta hiệu chỉnh chi tiết

và cập nhật lại lắp ráp, hay ta thay đổi các instance trong lắp ráp và cập nhật lại chi tiết. Việc

quy định các hạn chế giữa các chi tiết trong lắp ráp được thực hiện bằng cách quy định các

hạn chế giữa các instance của chúng trong mô hình lắp ráp.

Phương pháp này có một số ưu điểm như sau. Đây là kỹ thuật ưa dùng nếu như các chi tiết đã

được xây dựng xong. Nó cũng cho phép các nhà thiết kế tập trung vào các chi tiết cá thể. Nó

cũng làm cho dễ dàng và đơn giản trong duy trì các quan hệ và ứng xử tái tạo lại của các chi

tiết. Phương pháp này thường thích hợp với các lắp ráp cỡ nhỏ với số lượng thành phần có

thể đến một trăm, thậm chí có thể đến một nghìn.

5.7. Phương pháp lắp ráp Top-down

Phương pháp lắp ráp Top-down có thể áp dụng với mọi cỡ lắp ráp, đặc biệt thích hợp với

lắp ráp cỡ lớn với hàng chục nghìn thành phần. Nó cung cấp một công cụ hiệu quả và phương

pháp tổ chức tốt để quản lý quá trình thiết kế các lắp ráp cỡ lớn. Nó cho phép người lãnh đạo

dự án có thể phân tách các đặc tính kỹ thuật của sản phẩm, phân định các nhóm thiết kế,…

Phương pháp lắp ráp Top-down thúc đảy tiếp cận kỹ thuật hệ thống khi thiết kế sản

phẩm, trong đó sơ đồ lắp ráp truyền đạt tiêu chuẩn thiết kế đến các nhà phát triển hệ thống

con, kể cả các nhà cung cấp.

Phương pháp này bắt đầu bằng một phác thảo sơ đồ lắp ráp (còn được gọi là phác thảo lắp ráp

hay mô hình khung). Sơ đồ này xác định các thành phần trong ngữ cảnh của một lắp ráp. Các

thành phần này là “rỗng” vì chúng chưa tham chiếu đến các file chi tiết và các file bộ phận

thực. Sơ đồ lắp ráp xác định khung xương, yêu cầu không gian và các thuộc tính vật lý khác

có thể được dùng để xác định hình học của các thành phần và quan hệ giữa chúng (các chi tiết

hay bộ phận).

Yêu cầu không gian là thuộc tính quan trọng nhất của một sơ đồ lắp ráp vì sơ đồ này cho biết

mỗi thành phần của lắp ráp sẽ đặt ở đâu. Khi người thiết kế sắp đặt khung của tất cả các

thành phần lắp ráp trong sơ đồ, anh ta có thể thấy được sự giao nhau, độ hở hay chồng nhau

của các thành phần này. Khi đó có thể thay đổi vị trí của các thành phần tương đối với nhau

trong sơ đồ nhằm đáp ứng tốt hơn yêu cầu thiết kế.

66  

Qúa trình xây dựng một lắp ráp theo phương pháp Top-down được thực hiện theo các

bước như sau:

1. Log in và khởi đông hệ thống CAD/CAM

2. Chọn phương thức assembly

3. Mở một file asembly mới

4. Tạo một phác thảo, trong đó các thực thể biểu thị cho các thành phần của lắp ráp. Chỉ

định vị trí sơ bộ cho mỗi thành phần trong khi nắm được ý tưởng thiết kế chung của

lắp ráp.

5. Tạo thêm các phác thảo khác nếu cần. Một lắp ráp phức tạp có thể đòi hỏi nhiều phác

thảo, tương tự như tạo dựng các feature phức tạp của các chi tiết. Chẳng hạn như ta có

thể dùng các mặt phẳng phác thảo Front, Top, Right để tạo sơ đồ lắp ráp.

6. Sử dụng (các) phác thảo để xác định kích thước thành phần, hình dạng khung xương,

và vị trí trong lắp ráp.

7. Hiệu chỉnh (các) phác thảo nếu cần cho đến khi có được sơ đồ lắp ráp hoàn thiện.

Chẳng hạn như thay đổi vị trí hay kích thước của một vài thành phần lắp ráp.

8. Tạo dựng các chi tiết và lưu chúng trong các file tương ứng. Cần đảm bảo là mỗi chi

tiết đều tham chiếu đến (các) phác thảo lắp ráp.

9. Định giá lắp ráp sau khi các chi tiết đã xây dựng hoàn thiện. Nếu cần có thể hiệu

chỉnh phác thảo lắp ráp rồi cập nhật cho lắp ráp và các chi tiết.

10. Lưu file lắp ráp và thoát ra khỏi hệ thống CAD.

Phương pháp Top-down có nhiều ưu điểm. Ưu điểm chính của phương pháp này là nếu ta

thay đổi sơ đồ lắp ráp, lắp ráp và các chi tiết của nó sẽ tự động cập nhật khi ta thoát ra khỏi

môi trường phác thảo. Ta có thể tạo ra tất cả các thay đổi một cách nhanh chóng tại một nơi

là phác thảo sơ đồ lắp ráp.

Ví dụ: Tạo lắp ráp pu li-đai theo phương pháp Top-down.

Các bước thực hiện như sau:

1. Log in và khởi đông hệ thống CAD/CAM

2. Chọn phương thức assembly

3. Mở một file asembly mới.

4. Tạo một sơ đồ lắp ráp như hình 5.10. Định nghĩa các kích thước như trong sơ đồ. Các

đường thẳng nối 2 pu ly là tiếp tuyến với chúng (áp dụng các hạn chế thích hợp để tạo

ra các đường thẳng tiếp tuyến). Lưu file lắp ráp với tên là topdown.asm

5. Mở một file chi tiết mới, xây dựng chi tiết pu ly lớn và lưu nó với tên file pulley1.prt

6. Mở một file chi tiết mới, xây dựng chi tiết pu ly nhỏ và lưu nó với tên file pulley2.prt

67  

7. Mở một file chi tiết mới, xây dựng chi tiết dây đai và lưu nó với tên file belt.prt

8. Mở file lắp ráp topdown.asm và nhập vào các chi tiết thành phần: pulley1.prt,

pulley2.prt và 2 instance của belt.prt. Thực hiện các lắp ghép cần thiết (các hạn chế

hệ thống đầy đủ để không có chuyển động tương đối) để lắp các thành phần vào với

nhau.

9. Thiết lập các kích thước tham khảo của các thành phần ứng đến các kích thước tương

ứng trong phác thảo sơ đồ lắp ráp. Các bán kính của các pu ly nhỏ và pu ly to , chiều

dài đai được thiết lập bằng các biến tương ứng trong phác thảo như sau:

Pulley1 diameter = Layout Sketch Big Circle Diameter

Pulley2 diameter = Layout Sketch Small Circle Diameter

Length of the belt = Layout Sketch Distance between the Circles.

10. Thay đổi các tham số trong phác thảo sơ đồ để xem ảnh hưởng như thế nào đến các

thành phần lắp ráp và trong lắp ráp. Tái tạo (cập nhật) lại lắp ráp để nhận được các kết

quả mới.

5.8. Một số thao tác với lắp ráp

5.8.1. Thử các điều kiện lắp ghép

Các điều kiên lắp ráp là chìa khóa thành công để tạo ra các lắp ráp. Các điều kiện này

có thể lắp ghép quá (over- mate) hay lắp ghép thiếu (under -mate). Để kiểm tra người thiết

kế có thể kéo (drag) và di chuyển các hành phần của lắp ráp. Các hệ thống CAD cung cấp

các lệnh move hay rotate hay các lệnh tương đương khác cho phép thực hiện các thao tác

này.

5.8.2. Các option về tải của lắp ráp.

Khi ta nhập một thành phần lắp ráp vào một lắp ráp, một chuẩn giữa lắp ráp và thành phần

này được tạo ra. Như vậy thông tin của thành phần được tải vào mô hình lắp ráp. Các hệ

thống CAD cung cấp 2 option để tải thông tin vào: tải đầy đủ hay tải một phần. Trong lựa

Hình 5.10: Ví dụ lắp ráp pu li-đai

68  

chọn đầu, thông tin thành phần được tải đầy đủ vào bộ nhớ. Trong lựa chọn sau: chỉ một

phần thông tin được tải vào bộ nhớ. Phần còn lại sẽ được tải vào nếu thành phần đó được

chọn hay nếu như nó được thay đổi khi hiệu chỉnh.

Các option này ảnh hưởng đến hiệu quả lắp ráp. Với những lắp ráp lớn, để các thao tác và

các lệnh thực hiện được nhanh cần chọn option tải một phần.

5.8.3. Quản lý lắp ráp

Khi ta nhập các thành phần lắp ráp vào một lắp ráp, ta có thể thực hiện nhiều tác vụ để

quản lý chúng. Ta có thể ẩn (hide), đóng băng (freeze/suppress), copy hay delete chúng.

Các hệ thống CAD cũng cung cấp các các bộ quản lý thuộc tính lắp ghép để quản lý điều

kiện lắp ghép. Bộ quản lý này cho phép người thiết kế có thể ấn định các điều kiện lắp

ghép, nhóm chúng lại, copy chúng hay delete chúng

5.8.4. Làm việc với các bộ phận (subassembly)

Khi một lắp ráp là một thành phần của một lắp ráp khác, nó được gọi là một bộ phận hay

một lắp ráp con. Có 3 phương án tạo ra các lắp ráp con:

Tạo một tài liệu (file) lắp ráp, rồi nhập nó vào một mô hình lắp ráp mức cao hơn.

Nhập một subassembly mới và rỗng vào một mức của mô hình lắp ráp (file) đang mở.

Sau đó bổ sung các thành phần vào nó.

Tạo một subassembly bằng cách chọn một nhóm các thành phần đang hiện hành từ

một lắp ráp.

5.8.5. Phân tích lắp ráp

Tạo các bản vẽ lắp ráp

Tạo danh mục chi tiết

Tạo hình ảnh các chi tiết của lắp ráp rời ra (exploded view)

Tạo các mặt cắt

Thực hiện kiểm tra giao nhau

Thực hiện kiểm tra va chạm

Thực hiện tính toán khối lượng

69  

Chương 6: Phân tích kỹ thuật trong thiết kế (CAE) 6.1. Xác định các thuộc tính cơ bản.

Đây là một trong những ứng dụng kỹ thuật đầu tiên được thực hiện trong các hệ thống

CAD/CAM. . Các tính toán kỹ thuật này phụ thuộc nhiều vào hình học và topo của các vật

thể thiết kế. Chúng bao gồm: tính toán các thuộc tính khối lượng, xác định trọng tâm, mô

men quán tính. Đây là cơ sở để nghiên cứu và phân tích các cơ chế (tĩnh và động) của cả vật

rắn và vật có thể biến dạng. Các tính toán này thường liên quan đến xác định các tích phân

khác nhau. Với những hình dạng đơn giản có thể tính chính xác các tích phân này. Với

những hình dạng phức tạp thường sử dụng các phương pháp gần đúng để xác định các tích

phân. Các thuật toán cài đặt trong các phần mềm CAD/CAM sử dụng các phương pháp này

và được thực hiện tự động mà không yêu cầu thêm thông tin đầu vào, trừ khi tính toán khối

lượng thì cần nhập vào mật độ của mô hình.

Các thuộc tính này gồm có:

Chiều dài đường cong (curve length).

Tính toán chiều dài của một đường cong cho trước giữa hai điểm hữu ích trong nhiều ứng

dụng. Ví dụ như khi phân tích cơ cấu ta có thể cần xác định chiều dài của quỹ đạo một điểm

nào đó trong không gian.

Tiết diện ngang (Cross-Sectional Area).

Một tiết diện ngang là một vùng mặt phẳng giới hạn bởi đường biên kín. Đường biên này

được tạo ra bởi một tập các đường cong liên tục C1 nối ghép với nhau. Cần xác định 3 thuộc

tính của một vùng phẳng là: chiều dài đường biên (length of boundary), diện tích (area) và

trọng tâm (centroid) của nó.

Diện tích bề mặt (Surface Area)

Thể tích (Volume)

Khối lượng (Mass)

Trọng tâm (Centroid)

Các mô men quán tính (Moment of Inertia):

- Mô men quán tính bậc một đối với một mặt phẳng của tải trọng tập trung hay của

tải trọng phân bố

- Mô men quán tính bậc hai đối với một trục của tải trọng tập trung hay của tải

trọng phân bố

6.2. Giới thiệu về FEM và FEA

Mô hình hóa phần tử hữu hạn (FEM) và phân tích phần tử hữu hạn (FEA) là một trong những

ứng dụng kỹ thuật cơ khí phổ biến nhất được cung cấp bởi các hệ thống CAD/CAM. Đây có

70  

thể được xem là phương pháp kỹ thuật số hiệu quả nhất để giải quyết các vấn đề kỹ thuật

trong cơ khí bất kể hình dạng hay hình học của đối tượng phức tạp, thuộc tính vật liệu, các

điều kiện biên, các điều kiện tải trọng.

Phương pháp phần tử hữu hạn( FEM):

Để giải quyết các bài toán có miền liên tục bằng FEM, có thể thực hiện theo trình tự cơ

bản như sau:

1. Tạo các phần tử hữu hạn. Bản chất của FEM là phân chia một miền liên tục (miền cần

giải quyết của bài toán) thành các phần tử ghép nối liên tục với nhau & không giao nhau.

Điều này thực hiện bằng cách thay thế miền liên tục bằng một tập các điểm cơ sở (key point)

được gọi là các nút. Các nút này lại được nối với nhau theo một trình tự hợp lý để tạo thành

các phần tử (element). Tập hợp các nút và các phần tử tạo thành lưới (mesh) phần tử hữu hạn.

Có nhiều hình dạng và kiểu phần tử. Nhà phân tích hay thiết kế có thể sử dụng nhiều kiểu

phần tử để giải quyết một bài toán. Cần quyết định số lượng các nút và các phần tử được sử

dụng để giải bài toán. Thông thường, số lượng nút và phần tử càng lớn thì độ chính xác của

FEM càng cao nhưng chi phí về bộ nhớ và và thời gian tính toán càng lớn.

2. Xấp xỉ lời giải trong mỗi phần tử. Sự khác nhau của các ẩn số (được gọi là biến trường)

trong bài toán được xấp xỉ trong mỗi phần tử bằng một đa thức. Biến trường có thể là vô

hướng (ví dụ như nhiệt độ), hay một vec tơ (ví dụ như các chuyển vị ngang, dọc). Các đa

thức thường được dùng để xấp xỉ lời giải cho miền một phần tử vì chúng dễ tích phân và vi

phân. Bậc của đa thức phụ thuộc vào số nút trên một phần tử, số ẩn số (số thành phần của

biến trường) tại mỗi nút và các yêu cầu về tính liên tục nào đó dọc theo các biên của phần tử.

3. Xây dựng các ma trận phần tử vàcác phương trình. Bước này cần thiết lập các công

thức phần tử hữu hạn để chuyển các phương trình cân bằng đặc trưng từ miền liên tục về

P=500N

a) Dầm công xon xem như liên tục b) Tạo các nút và đánh số

b) Tạo các phần tử và đánh số

Các phần tử 4 nút Các phần tử 6 nút

Hình 6.1: Lưới phần tử hữu hạn của một dầm

71  

miền phần tử. Khi các nút và các thuộc tính vật liệu của một phần tử được xác định, các ma

trận tương ứng của nó (ma trận độ cứng, ma trận khối lượng,…) và các phương trình có thể

được xây dựng. Có 4 phương pháp xây dựng các ma trận phần tử và các phương trình là:

phương pháp trực tiếp, phương pháp sai phân, phương pháp khối lượng dư, phương pháp thế

năng. Trong đó phương pháp thứ hai thích hợp cho các bài toán cơ cấu vật rắn, phương pháp

thứ ba thích hợp cho các bài toán chất lỏng).

4. Xây dựng các phương trình ma trận hệ thống chung. Các ma trận phần tử được hợp lại

với nhau bằng cách lấy tổng của các phương trình cân bằng của các phần tử để nhận được các

ma trận chung và hệ thống các phương trình đại số. Trước khi giải hệ thống các phương trình

này, cần phải hiệu chỉnh nó bằng cách áp vào các điều kiện biên.

5. Giải hệ thống phương trình để tìm các ẩn số ở các nút. Hệ thống chung các phương

trình đại số được giải bằng các phương pháp giới hạn Gauss cho kết quả các giá trị của biến

trường tại các nút của lưới phần tử hữu hạn. Gía trị của các biến trường và các đạo hàm của

chúng tại các nút tạo thành lời giải đầy đủ phần tử hữu hạn của bài toán liên tục ban đầu. Có

thể nhận được các giá trị tại các điểm khác nhau trong miền liên tục khác với các nút, mặc dù

điều này thường ít gặp.

6. Biên dịch các kết quả. Bước cuối cùng là phân tích lời giải và các kết quả nhận được từ

các bước trước để đi tới các quyết định thiết kế . Để biên dịch đúng các kết quả này, cần có

kiến thức cơ bản về kỹ thuật và FEA.

Phân tích phần tử hữu hạn (FEA):

FEA thực hiện trên cơ sở giả thiết sau: Thay cho giải trực tiếp các phương trình cân bằng vi

phân đặc trưng, phương pháp phần tử hữu hạn giải các phương trình này ở dạng tích phân.

Lời giải của dạng tích phân này là xấp xỉ. Để nhận được lời giải này, FEM giữ nguyên các

toán tử đạo hàm và xấp xỉ không gian bài toán bằng cách sử dụng các hàm nội suy. FEA bắt

đầu với các phương trình vi phân của một hệ thống và kết thúc bằng việc giải gần đúng các

phương trình này. Qúa trình này được thực hiện qua một số bước cơ bản như sau. Trước tiên

là biến đổi các phương trình vi phân thành các phương trình tích phân bằng cách sử dụng các

phương pháp sai phân hay phương phá trọng lượng dư,.. Sau đó nó phân chia miền bài toán

thành các phần tử và thiết lập các phương trình phần tử. Các phương trình phần tử này lại

được tổ hợp lại tạo ra phương trình ma trận hệ thống chung. Các điều kiện biên và tải ngoài

được đưa vào hệ thống trước khi giải phương trình ma trận hệ thống chung. Các kết quả của

lời giải bài toán có được tại các nút của các phần tử. Chúng được hiển thị ở dạng đồ họa để

phân tích và đưa ra ra các quyết định thiết kế.

72  

Các hệ thống CAD hiện nay thường được cài đặt các gói FEM/FEA ở trong chúng. Các gói

này tích hợp với cơ sở dữ liệu CAD để tự động hóa cả FEM và FEA, và cung cấp cho người

dùng các kết quả ở dạng đường cong, con tua hay hoạt hình.

6.3. Các phần tử hữu hạn

6.4. Tải ngoài tác dụng lên các nút.

Như đã trình bày ở trên, khi thực hiện FEM , miền liên tục được thay thể bằng một tập các

nút. Vì vậy với mọi thuộc tính liên quan với miền liên tục (như là khối lượng, nguồn nhiệt

bên trong, giảm chấn,…) hoặc các tải tác dụng từ bên ngoài cần phải đặt tập trung ở các nút.

Có hai dạng tải ngoài: tải tập trung (ví dụ như lực tập trung, mô men tập trung,..) và tải phân

bố (ví dụ như lực phân bố, mô men phân bố, dòng nhiệt, dòng chất lỏng,…).

Hình 6.2: Các kiểu phần tử và kích thước của chúng

Phần tử 1D

Phần tử 2D

Phần tử 3D

2 nút (tuyến tính) 3 nút (bậc 2) 3 nút (bậc 3)

Phần tử tam giác

Phần tử tứ giác

Phần tử tứ diện

Phần tử dạng lăng trụ

Phần tử dạng 6 mặt

3 nút (tuyến tính) 6 nút (bậc 2)10 nút (bậc 3)

4 nút (bậc 2) 4 nút (tuyến tính) 10 nút (bậc 3)

4 nút (tuyến tính) 10 nút (bậc 2)20 nút (bậc 3)

7 nút (tuyến tính)

8 nút (tuyến tính

16 nút (bậc 2)

32 nút (bậc 3)

29 nút (bậc 3)

20 nút (bậc 2)

73  

Để đặt lực tập trung vào một mô hình phần tử hữu hạn, cần phải tạo ra một nút tại điểm đặt

tải. Ví dụ như trên hình 6.1, nút số 21 chịu tải P=500N, hay là tải P được đặt vào mô hình

thông qua nút 21.

Trong nhiều trường hợp, tải phân bố được đặt tập trung tại nhiều nút

6.5. Mô hình hóa phần tử hữu hạn

Một mô hình phần tử hữu hạn gồm có các nút, các bậc tự do, các điều kiện biên, các phần tử,

thuộc tính vật liệu, tải tác dụng từ bên ngoài và kiểu phân tích. Các kỹ sư cần phải chọn cẩn

thận tất cả các thuộc tính mô hình hóa này để có được các kết quả FEA đúng.

Trong thực tế, trước tiên cần quyết định sơ đồ lưới bao gồm số các nút và các phần tử. Các

vùng có thay đổi đột ngột biến trường (ví dụ như tập trung ứng suất quanh các lỗ) đòi hỏi mật

độ các nút và các phần tử cao hơn các vùng có sự thay đổi dần dần.

Sau khi đã chọn xong sơ đồ lưới, cần chọn dạng phân tích (tĩnh /động , tuyến tính/phi tuyến,

lý thuyết về dầm, ứng suất phẳng/ ứng suất 3D,…), kiểu bài toán phân tích (biến dạng uốn,

xoay, nhiệt độ, dòng chảy,…), số bậc tự do tại mỗi nút, các điều kiện biên, thông tin về phần

tử (kiểu, số nút trên một phần tử, bậc cầu phương Gauss), các thuộc tính vật liệu, tải ngoài tác

dụng lên các nút.

Khi mô hình phần tử hữu hạn được thiết lập băng cách chọn các tham số phù hợp với lưới

(mesh), nó cần phải được nhập và vào mã hóa để thực hiện FEA. Có thể nhập vào dưới dạng

file dữ liệu với định dạng quy định đối với từng phần mềm FEA. Các file dữ liệu này thường

gồm có 5 phần chính là: điều khiển, nút, phần tử, vật liệu và tải . Thông tin trong phần điều

khiển thường bao gồm mô tả bài toán (tiêu đề), tổng số nút, kiểu phân tích,…

Đầu ra của FEA thường ở dạng số hóa. Nó thường bao gồm các giá trị nút của biến trường và

các đạo hàm của nó. Ví dụ như đối với bài toán cơ học vật rắn đầu ra là các chuyển vị nút và

các ứng suất phần tử. Với bài toán truyền nhiệt, đầu ra là nhiệt độ tại các nút và dòng nhiệt

qua phần tử. Các kết quả củabiến trường có thể hiển thị hoặc in ra dưới dạng đường cong,

contour,..Hình dạng bị biến đổi có thể được hiển thị để so sánh với hình dạng khởi thủy. Các

phương thức rung động cũng có thể được hiển thị.

Các bộ tiền xử lý (Preprocessor) và hậu xử lý (Postprocessor) dảm nhiệm hầu hết các nhiệm

vụ của FEM. Preprocessor giúp cho người sử dụng có thể tạo ra file dữ liệu đầu vào một cách

tự động. Khi đó người sử dụng không cần quan tâm đến định dạng của file này.

Postprocessor thường là tự động và không cần trợ giúp của người sử dụng. Chúng tạo ra các

kết quả số hóa và hiển thị chúng theo yêu cầu của người dùng.

74  

6.6. Tạo lưới (Mesh Generation)

Tạo lưới là cốt lõi của FEM.T ạo lưới gắn liền với tạo ra các tạo độ nút và các phần tử. Nó

cũng bao gồm cả tự động đánh số các nút và các phần tử trên cơ sở khối lượng dữ liệu nhỏ

nhất được cung cấp bởi người sử dụng. Tạo lưới tự động làm giảm các lỗi và tiết kiệm được

thời gian do vậy làm giảm chi phí quá trình FEA.

Trước khi có các Preprocessor, lưới phần tử hữu hạn được tạo ra bằng tay. Trong đó, người

sử dụng rời rạc hóa hình học vật thể thành các nút và các phần tử. Các nút được định nghĩa

bằng cách quy định các tọa độ của chúng, trong khi các phần tử được xác định bằng cách nối

các nút lại với nhau theo một định dạng. Tạo lưới bằng tay thường không hiệu quả, dễ bị lỗi

đặc biệt với các vật thể phức tạp, vật thể 3D.

Các Preprocessor cung cấp các thuật toán, sơ đồ và phương pháp cho tạo lưới tự động. Có

nhiều mức tự động theo yêu cầu đầu vào của người sử dụng. Có thể phân thành 2 mức: tạo

lưới bán tự động và tạo lưới tự động hoàn toàn. Ở mức tự động hoàn toàn, hình dạng của vật

thể (bao gồm cả hình học và to po) được tạo lưới với dữ liệu đầu vào là các thuộc tính lưới

(mật độ lưới, kiểu phần tử, điều kiện biên, tải,..). Ở mức bán tự động, có thể yêu cầu thêm dữ

liệu đầu vào như là phân chia vật thể thành các vùng hay miền con,…

Tiêu chuần quan trọng nhất trong tạo lưới là đảm bảo tính hiệu lực và tính chính xác của lưới

tạo ra, để đảm bảo tính chính xác của các kết quả FEA. Sau đây là một số yêu cầu cơ bản khi

tạo lưới:

Bài toán

FEM (Tạo các nút, các phần tử, các điều kiện biên, thuộc tính vật liệu, tải, file dữ liệu)

FEA (Tạo các ma trận phần tử, tính toán các giá trị nút và các đạo hàm, lưu kết quả)

Phân tích kết quả (Hiển thị các đường cong, con tua, hình dạng biến đổi)

Preprocessor

Postprocessor

Hình 6.3: Preprocessor và Postprocessor phần tử hữu hạn  

75  

1. Vị trí các nút. Các nút phải nằm ở bên trong hoặc trên biên của mô hình hình học

được tạo lưới. Các nút rất gần với biên cần phải được kéo vào nằm trên biên để tạo

lướ mô hình chính xác.

2. Kiểu phần tử và hình dạng. Mong muốn sự đa dạng của các phần tử (thư viện các

phần tử lớn) để cung cấp cho người sử dụng tính linh hoạt cần thiết, đáp ứng các yêu

cầu tương thích và tính toàn vẹn

3. Tính trơn của lưới. Điều này liên quan đến điều khiển độ trơn và mật độ lưới. Thông

thường các vật thể thực hiện FEA thường có các lỗ và các góc sắc. Ở các vùng này

thường đòi hỏi mật độ lưới(số nút và số phần tử) tăng lên đáp ứng với sự thay đổi

nhanh vủa biến trường (ví dụ như sự thay đổi ứng suất xung quanh lỗ và các góc sắc).

Các vùng này được xem như là các vùng chyển tiếp

4. Tính dễ chuyển đổi lưới. Mong muốn có thể chuyển đổi từ lưới với kiểu phần tử này

sang lưới với kiểu phần tử khác. Ví dụ thường có thể dễ dàng chuyển đổi từ một phần

tử dạng tam giác thành ba phần tử tứ giác, hay từ phần tử tứ diện có thể chia thành

bốn phần tử sáu mặt, hay có thể kết hợp hai phần tử tam giác để tạo ra một phần tử tứ

giác,…

5. Tỷ số mặt phần tử. Mong muốn tỷ số mặt phần tử gần với 1, tức là tất cả các mặt của

một phần tử là bằng nhau

6. Hình học và to po của lưới. Khi một vật thể hình học có đầy đủ hình học và to po, nó

có thể được tạo lưới. Hình học của lưới liên quan đến tọa độ của các điểm nút và

thông tin kết nối các phần tử. To po của lưới liên quan đến định hướng của nó đối với

to po của vật thể. To po của vật thể luôn xác định to po của lưới.

7. Tính tương thích với các sơ đồ biểu diễn. Một phương pháp tạo lưới vốn dĩ luôn liên

quan đến mô hình hình học cần tạo lưới. Các mô hình solid hỗ trợ cho tạo lưới tự

động hóa hoàn toàn.

8. Hiệu quả về chi phí. Thời gian cần thiết để tạo lưới và thời gian cần để thực hiện FEA

là cốt yếu. Để giảm cả hai thời gian này cần có phương pháp tạo lưới tối ưu và giảm ít

nhất số nút, số phần tử cũng như là đáp ứng được các yêu cầu về chuyển đổi