Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết kế và chế tạo có sự tham gia của máy vi tính (CAD/CAM hay CAO/FAO) thường được trình bày gắn liền với nhau. Thật vậy, hai lĩnh vực ứng dụng tin học trong ngành cơ khí chế tạo này có nhiều đi
C1 CAD-CAM> TONGQUAN GVC NGUYỄN THẾ TRANH Chương TỔNG QUAN VỀ CAD/CAM 1.1 VAI TRÒ VÀ CHỨC NĂNG CỦA CAD/CAM TRONG NỀN SX HIỆN ĐẠI 1.1.1 Giới thiệu CAD/CAM hay CAO/FAO Thiết kế chế tạo có tham gia máy vi tính (CAD/CAM hay CAO/FAO) thường trình bày gắn liền với Thật vậy, hai lĩnh vực ứng dụng tin học ngành khí chế tạo có nhiều điểm giống chúng dựa chi tiết khí sử dụng liệu tin học chung: nguồn đồ thị hiển thị liệu quản lý Thực tế, CAD CAM tương ứng với hoạt động hai trình hỗ trợ cho phép biến ý tưởng trừu tượng thành vật thể thật Hai q trình thể rõ cơng việc nghiên cứu (bureau d’étude) triển khai chế tạo (bureau des méthodes) Xuất phát từ nhu cầu cho trước, việc nghiên cứu đảm nhận thiết kế mơ hình mẫu thể vẽ biễu diễn chi tiết Từ vẽ chi tiết, việc triển khai chế tạo đảm nhận lập trình chế tạo chi tiết vấn đề liên quan đến dụng cụ phương pháp thực Hai lĩnh vực hoạt động lớn ngành chế tạo máy thực liên tiếp phân biệt kết * Kết CAD vẽ xác định, biểu diễn nhiều hình chiếu khác chi tiết khí với đặc trưng hình học chức Các phần mềm CAD dụng cụ tin học đặc thù cho việc nghiên cứu chia thành hai loại: Các phần mềm thiết kế phần mềm vẽ * Kết CAM cụ thể, chi tiết khí Trong CAM khơng truyền đạt biểu diễn thực thể mà thực cách cụ thể công việc Việc chế tạo bao gồm vấn đề liên quan đến vật thể, cắt gọt vật liệu, công suất trang thiết bị, điều kiện sản xuất khác có giá thành nhỏ nhất, với việc tối ưu hoá đồ gá dụng cụ cắt nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật chi tiết khí Nhằm khai thác cơng cụ hữu ích, ứng dụng tin học chế tạo không hạn chế phần mềm đồ hoạ hiển thị quản lý mà sử dụng việc lập trình điều khiển máy cơng cụ điều khiển số, đòi hỏi thực phải nắm vững kiến thức kỹ thuật gia công 2 C1 CAD-CAM> TONGQUAN GVC NGUYỄN THẾ TRANH Trong chế tạo, việc sử dụng liệu tin học phải lưu ý đến nhiều mối quan hệ ràng buộc Các ràng buộc nhiều thiết kế Việc cắt gọt vật liệu máy công cụ điều khiển số hay máy công cụ vạn thông thường nhau, hai trường hợp vật liệu khơng thay đổi tính chất Trong liệu tin học có mơi trường cơng nghiệp có xưởng gia cơng Các nguồn liệu cải thiện kỹ thuật chế tạo, chuyển đổi phương pháp dẫn đến thay đổi quan trọng cơng việc hồn thành lập qui trình cơng nghệ vị trí làm việc Ngồi công việc cho phép điều khiển số nguyên công gia công, việc thiết lập liệu tin học mang lại nhiều cải thiện kết cấu liên quan đến cấu trúc máy đồ gá, phương pháp chế tạo kiểm tra sản phẩm, thiết kế dụng cụ cắt cấu tự động khác Mặt khác, ứng dụng tin học cho phép khai thác tốt khả máy dụng cụ Ngày việc chuyển biến từ ý tưởng trừu tượng thành sản phẩm thực tế theo q trình hồn tồn chi phối máy tính điện tử, sơ đồ hình 1.1 rõ BUREAUTIQUE ET COMMUNICATION ADMINISTRATION ET GESTION CONCEPTION, MODELISATION, ANALYSE ET INGENIERIE ASSISTE PAR ORDINATEUR (CAO - IAO) BUREAU D’ETUDE CAO FABRICATION INTEGREE SUR ORDINATEUR (FIO) DESSIN ASSISTE PAR ORDINATEUR (DAO) PROCEDES, SIMULATION, PROGRAMMATION FAO MOCN MOCN AUTOMAT BUREAU DE METHODES ROBOT CONTRÔLE DE QUALITÉ INVENTAIRE ET MANUTENTION Hình 1.1 - Sơ đồ CAO - FAO - FIO ADMINISTRATION ET GESTION C1 CAD-CAM> TONGQUAN GVC NGUYỄN THẾ TRANH Ta phân biệt hai loại dụng cụ tin học nghiên cứu thiết kế: - Các phần mềm vẽ có tham gia máy tính điện tử (Dessin Assisté par Ordinateur-DAO hay Computer Aided Drawing - CAD) - Các phần mềm thiết kế có tham gia máy tính điện tử (Conception Assistée par Ordinateur-CAO hay Computer Aided Design-CAD) Trong tiếng Anh ta sử dụng từ CAD chung cho hai phần mềm Trong triển khai chế tạo sản phẩm từ vẽ thiết kế, ngày có phần mềm ứng dụng phần mềm chế tạo có tham gia máy tính điện tử ( Fabrication Assistée par Ordinateur - FAO hay Computer Aided Manufacturing - CAM) Khi tích hợp máy tính điện tử cho hoạt động thiết kế chế tạo thực hiện, tức việc thực trực tiếp dựa vào liệu số tạo việc thiết kế, tập hợp hoạt động đặc trưng CAD/CAM mô tả khái niệm chế tạo tích hợp máy tính điện tử ( Fabrication Intégrée par Ordinateur - FIO hay Computer integrated Manufacturing - CIM) Do CIM biểu diễn hoạt động tương ứng với thiết kế, vẽ, chế tạo kiểm tra chất lượng sản phẩm khí 1.1.2 Đối tượng phục vụ CAD/CAM Xu phát triển chung ngành công nghiệp chế tạo theo công nghệ tiên tiến liên kết thành phần qui trình sản xuất hệ thống tích hợp điều khiển máy tính điện tử (Computer Integrated Manufacturing - CIM) Các thành phần hệ thống CIM quản lý điều hành dựa sở liệu trung tâm với thành phần quan trọng liệu từ trình CAD Kết trình CAD không sở liệu để thực phân tích kỹ thuật, lập qui trình chế tạo, gia cơng điều khiển số mà liệu điều khiển thiết bị sản xuất điều khiển số loại máy công cụ, người máy, tay máy công nghiệp thiết bị phụ trợ khác Công việc chuẩn bị sản xuất có vai trị quan trọng việc hình thành sản phẩm khí 4 C1 CAD-CAM> TONGQUAN GVC NGUYỄN THẾ TRANH Công việc bao gồm: - Chuẩn bị thiết kế ( thiết kế kết cấu sản phẩm, vẽ lắp chung sản phẩm, cụm máy.v.v ) - Chuẩn bị cơng nghệ (đảm bảo tính cơng nghệ kết cấu, thiết lập qui trình cơng nghệ) - Thiết kế chế tạo trang bị công nghệ dụng cụ phụ v.v - Kế hoạch hoá trình sản xuất chế tạo sản phẩm thời gian u cầu Hiện nay, qua phân tích tình hình thiết kế ta thấy 90% thời lượng thiết kế để tra cứu số liệu cần thiết mà có 10% thời gian dành cho lao động sáng tạo định phương án, công việc thực máy tính điện tử để vừa tiết kiệm thời gian vừa đảm bảo độ xác chất lượng CAD/CAM lĩnh vực nghiên cứu nhằm tạo hệ thống tự động thiết kế chế tạo máy tính điện tử sử dụng để thực số chức định CAD/CAM tạo mối quan hệ mật thiết hai dạng hoạt động: Thiết kế Chế tạo Tự động hoá thiết kế dùng hệ thống phương tiện tính tốn giúp người kỹ sư thiết kế, mơ phỏng, phân tích tối ưu hố giải pháp thiết kế Tự động hoá chế tạo dùng máy tính điện tử để kế hoạch hố, điều khiển kiểm tra nguyên công gia công 1.1.3 Vai trò CAD/CAM chu kỳ sản xuất Khái niệm SP Nhu cầu thị trường Thiết kế sản phẩm Vẽ chi tiết Nhu cầu TTB Kiểm tra chất lượng Kế hoạch hoá QTSX Sản xuất sản phẩm Lập biểu đồ SX Hình 1.2- Sơ đồ chu kỳ sản xuất C1 CAD-CAM> TONGQUAN GVC NGUYỄN THẾ TRANH TĐH thiết kế Khái niệm SP Vẽ MTĐT Thiết kế SP Vẽ chi tiết Nhu cầu TTB KHH QTSX Kiểm tra chất lượng Sản xuất sản phẩm Lập biểu đồ SX TĐH KTCL TB ĐK MTĐT Nhu cầu thị trường TĐH KHH QTSX Vẽ BĐ, lập nhu cầu NVL KT Hình 1.3 - Sơ đồ chu kỳ sản xuất dùng CAD/CAM Rõ ràng CAD/CAM chi phối hầu hết dạng hoạt động chức chu kỳ sản xuất Ở nhà máy đại, công đoạn thiết kế chế tạo, kỹ thuật tính tốn ngày phát huy tác dụng nhu cầu thiếu 1.1.4 Chức CAD Khác biệt với qui trình thiết kế theo công nghệ truyền thống, CAD cho phép quản lý đối tượng thiết kế dạng mơ hình hình học số sở liệu trung tâm, CAD có khả hỗ trợ chức kỹ thuật từ giai đoạn phát triển sản phẩm giai đoạn cuối trình sản xuất, tức hỗ trợ điều khiển thiết bị sản xuất điều khiển số Hệ thống CAD đánh giá có đủ khả để thực chức yêu cầu hay không, phụ thuộc chủ yếu vào chức xử lý phần mềm thiết kế Ngày phần mềm CAD/CAM chuyên nghiệp phục vụ thiết kế gia cơng khn mẫu có khả thực chức sau: C1 CAD-CAM> TONGQUAN GVC NGUYỄN THẾ TRANH - Thiết kế mơ hình học chiều (3D) hình dạng phức tạp - Giao tiếp với thiết bị đo, quét toạ độ 3D thực nhanh chóng chức mơ hình học từ liệu số - Phân tích liên kết liệu: tạo mặt phân khuôn, tách khuôn, quản lý kết cấu lắp ghép - Tạo vẽ ghi kích thước tự động: có khả liên kết vẽ 2D với mơ hình 3D ngược lại - Liên kết với chương trình tính tốn thực chức phân tích kỹ thuật: tính biến dạng khn, mơ dòng chảy vật liệu, trường áp suất, trường nhiệt độ, độ co rút vật liệu, - Nội suy hình học, biên dịch kiểu đường chạy dao xác cho công nghệ gia công điều khiển số - Giao tiếp liệu theo định dạng đồ hoạ chuẩn - Xuất liệu đồ hoạ 3D dạng tập tin STL để giao tiếp với thiết bị tạo mẫu nhanh theo cơng nghệ tạo hình lập thể Những ứng dụng CAD ngành chế tạo máy: • Tạo mẫu nhanh thông qua giao tiếp liệu với thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ tạo hình lập thể (đo qt toạ độ) • Giảm đáng kể thời gian mơ hình học cách tạo mơ hình hình học theo cấu trúc mặt cong từ liệu số • Chức mơ hình học mạnh, có khả mơ tả hình dáng phức tạp • Khả mơ hình hố cao cho phương pháp phân tích, cho phép lựa chọn giải pháp kỹ thuật tối ưu 1.2 THIẾT KẾ VÀ GIA CƠNG TẠO HÌNH Theo lịch sử hình thành phát triển ta phân biệt cơng nghệ thiết kế gia cơng tạo sau: - Thiết kế gia cơng tạo hình theo cơng nghệ truyền thống - Thiết kế gia cơng tạo hình theo cơng nghệ CAD/CAM - Thiết kế gia cơng tạo hình theo cơng nghệ tích hợp CIM 1.2.1 Thiết kế gia cơng tạo hình theo cơng nghệ truyền thống Trong công nghệ truyền thống, mặt cong 3D phức tạp gia công máy vạn theo phương pháp chép hình sử dụng mẫu dưỡng Do qui trình thiết kế gia cơng bao gồm có giai đoan phân biệt (Hình 1.4): Tạo mẫu sản phẩm, Lập vẽ kỹ thuật, Tạo mẫu chép hình, Gia cơng chép hình Qui trình có hạn chế: C1 CAD-CAM> TONGQUAN GVC NGUYỄN THẾ TRANH - Khó đạt độ xác gia cơng, chủ yếu q trình chép hình, - Dễ dàng làm sai nhầm lẫn hay hiểu sai phải xử lý số lớn liệu, - Năng suất thấp mẫu thiết kế theo phương pháp thủ cơng qui trình thực tuần tự: tạo mẫu sản phẩm - lập vẽ chi tiết - tạo mẫu chép hình - phay chép hình Ý TƯỞNG Hiệu chỉnh VẼ & THIẾT KẾ BẢN VẼ KỸ THUẬT TẠO MẪU CHÉP HÌNH MẪU SẢN PHẨM Lấy mẫu MẪU CHÉP HÌNH GIA CƠNG CHÉP HÌNH Hình 1.4 - Qui trình thiết kế gia cơng tạo hình theo công nghệ truyền thống 1.2.2 Thiết kế gia công tạo hình theo cơng nghệ CAD/CAM Sự phát triển phương pháp mơ hình hố hình học với tựu công nghệ thông tin, công nghệ điện tử, kỹ thuật điều khiển số có ảnh hưởng trực tiếp đến công nghệ thiết kế gia công tạo hình (Hình 1.5): - Bản vẽ kỹ thuật tạo từ hệ thống vẽ tạo vẽ với trợ giúp máy vi tính - Tạo mẫu thủ cơng thay mơ hình hố hình học trực tiếp từ giá trị lấy mẫu 3D - Mẫu chép hình thay mơ hình tốn học - mơ hình hình học lưu trữ nhớ máy vi tính ánh xạ hình dạng mơ hình khung lưới - Gia cơng chép hình thay gia cơng điều khiển số (CAM) Về công nghệ, khác biệt gia cơng tạo hình theo cơng nghệ truyền thống cơng nghệ CAD/CAM thay tạo hình theo mẫu mơ hình hố hình học 8 C1 CAD-CAM> TONGQUAN GVC NGUYỄN THẾ TRANH Kết mẫu chép hình cơng nghệ gia cơng chép hình thay mơ hình hình học số (Computational Geometric Model - CGM) gia công điều khiển số Mặt khác khả kiểm tra kích thước trực tiếp khả lựa chọn chế độ gia cơng thích hợp (gia cơng thơ, bán tinh tinh) Theo công nghệ CAD/CAM phần lớn khó khăn q trình thiết kế gia cơng tạo hình theo cơng nghệ truyền thống khắc phục rằng: • Bề mặt gia cơng đạt xác tinh xảo • Khả nhầm lẫn chủ quan bị hạn chế đáng kể • Giảm nhiều tổng thời gian thực qui trình thiết kế gia cơng tạo hình Ý TƯỞNG Hiệu chỉnh VẼ & TẠO BẢN VẼ (CADD) BẢN VẼ KỸ THUẬT MƠ HÌNH HỐ HÌNH HỌC MẪU SẢN PHẨM Lấy mẫu, số hố MƠ HÌNH HÌNH HỌC SỐ (CGM) GIA CƠNG ĐIỀU KHIỂN SỐ (CAM) Hình 1.5 - Qui trình thiết kế gia cơng tạo hình theo cơng nghệ CAD/CAM 1.2.3 Thiết kế gia cơng tạo hình theo cơng nghệ tích hợp (CIM) Từ cơng nghệ CAD/CAM ta dễ dàng thực ý tưởng liên kết thành phần hệ thống tích hợp (Hình 1.6) Theo cơng nghệ tích hợp, cơng việc mơ hình hố hình học - vẽ - tạo vẽ tích hợp CAD; kết thơng tin hình dáng lưu lại dạng CGM, lưu trữ sở liệu trung tâm Công nghệ tiên tiến có khả hỗ trợ thực tồn qui trình thiết kế chế tạo theo cơng nghệ tích hợp: • Cho phép thiết lập mơ hình hình học số CGM trực tiếp từ ý tưởng hình dáng • Được trợ giúp thiết bị đồ hoạ mạnh cơng nghệ tơ màu, tạo bóng đại C1 CAD-CAM> TONGQUAN GVC NGUYỄN THẾ TRANH • Có khả thực chức phân tích kỹ thuật; liên kết với thiết bị tạo mẫu nhanh theo cơng nghệ tạo hình lập thể; lập trình chế tạo; điều khiển q trình gia cơng điều khiển số; lập qui trình lắp ráp; tạo phơi, Ý TƯỞNG CAD MƠ HÌNH FEM BẢN VẼ KỸ THUẬT MƠ HÌNH HÌNH HỌC SỐ (CGM) CAPP MẪU SẢN PHẨM MÀN HÌNH ĐỒ HOẠ Computer Aided Process Planning CAM Hình - Qui trình thiết kế gia cơng tạo hình theo cơng nghê tích hợp 1.3 MƠ HÌNH HỐ HÌNH HỌC Mơ hình hố hình học mơ tả đối tượng hình học mơ hình tốn học - mơ hình hình học số Khái niệm mơ hình hình học sử dụng cho thực thể hình học mơ tả được, thực thể hình học sở, sử dụng vẽ kỹ thuật hay hình, là: - Điểm, - Đường cong, bao gồm đoạn thẳng, - Mặt cong, bao gồm mặt phẳng, - Khối (cấu trúc đặc) Mơ hình hình học diễn giải người hình thức mơ tả chúng phải thích hợp, rõ ràng cho chuyển đổi thành mơ hình hình học số Tức u cầu mơ hình hình học phải mô tả giá trị số xác: C1 CAD-CAM> TONGQUAN 10 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - Điểm mơ tả giá trị toạ độ, - Đường cong mơ tả chuỗi điểm phương trình, - Mặt cong mô tả tập hợp điểm lưới đường cong, phương trình, - Khối định nghĩa mặt cong bao quanh 1.3.1 Phương pháp mô tả đường cong Đường cong 2D mô tả phương pháp: a Sử dụng đường cong 2D sở b Như chuỗi điểm mặt phẳng Đường cong 3D mô tả cách sau: a Chuỗi điểm 3D b Giao tuyến mặt cong c Hình chiếu đường cong 2D lên mặt cong 3D d Tập đường cong 2D mặt phẳng hình chiếu trục đo Phương pháp đơn giản mô tả đường cong 2D Người ta sử dụng họ đường cong bậc hai conic, bao gồm: đoạn thẳng, đường tròn, đường êlip, đường Parabol, đường Hyperbol Chúng xác định rõ ràng thơng số chúng như: toạ độ tâm, bán kính, tiêu điểm Ta gọi họ đường cong conic đường cong sở tạo nên đường cong đa hợp cách nối kết liên tục theo chuỗi, sử dụng góc lượn vị trí u cầu để đạt độ trơn láng Phương pháp phổ biến để mô tả đường cong tự 2D 3D Đây phương pháp xác định chuỗi điểm đường cong qua, phương pháp gián tiếp để mô tả đường cong 3D xác định giao tuyến mặt cong Trong trường hợp ta xác định đường cong cách xác Phương pháp phổ biến xác định dường cong 3D vẽ kỹ thuật xác định hình chiếu 2D chúng, sau xác định hình chiếu mặt cong, phép chiếu ngược 1.3.2 Phương pháp mô tả mặt cong Ta khơng thể vẽ mặt cong hình học, mô tả chúng vẽ dạng mô hình: - Mặt hình học sở, - Mặt nội suy lưới đường cong, - Mặt quét hình đường mặt cắt, - Mặt nội suy điểm, - Mặt kết nối hình Tương ứng là: • Sử dụng mặt cong sở • Mơ tả mặt cong mơ hình lưới đường cong C1 CAD-CAM> TONGQUAN 11 GVC NGUYỄN THẾ TRANH • Mơ tả mặt cong phép qt hình • Mặt cong nội suy điểm • Mơ hình mặt cong kết nối 1.3.3 Phương pháp mô tả khối hình học Khác biệt với mơ hình mặt cong, ngồi liệu hình học thuộc mặt bao, phương pháp mơ hình hố theo cấu trúc khối, cho phép quản lý liệu thuộc miền không gian bên thực thể hình học Về phương pháp tạo hình, phương pháp mơ hình hố hình học theo cấu trúc khối sử dụng thuật toán BOOL (phép toán tập hợp) khối hình học sở Khối hình học sở là: - Khối sở bậc hai - Khối quét hình: hình thành sở quét hình mặt giới hạn đường viền 2D khép kín theo đường định hình 1.3.4 Phương pháp mơ hình hố hình học Theo phương pháp mơ tả điểm, đường cong, mặt cong, khối hình học đề cập trên, ta xây dựng giải thuật mơ hình hố hình học theo cấu trúc mặt cong cấu trúc khối theo qui tắc chung sau: • Thực thể hình học mơ tả cấu trúc thể mối tương quan thực thể hình học sở loại khác loại • Mặt cong mô tả phép nội suy điểm; nội suy lưới đường cong; phép quét hình đường mặt cắt; mặt cong sở bậc hai • Khối hình học mơ tả phép qt hình mặt cắt; khối sở bậc Trong trường hợp tổng quát, thực thể hình học xác dịnh từ thực thể sở cấp thấp Ví dụ đường cong thiết lập từ điểm, mặt cong từ điểm đường cong, khối từ bề mặt bao, Các thực thể hình học cấp thấp tham số thiết kế gọi yếu tố điều khiển hình học, hiệu chỉnh để thay đổi hình dáng kích thước ... MANUTENTION Hình 1. 1 - Sơ đồ CAO - FAO - FIO ADMINISTRATION ET GESTION C1 CAD-CAM> TONGQUAN GVC NGUYỄN THẾ TRANH Ta phân biệt hai loại dụng cụ tin học nghiên cứu thiết kế: - Các phần mềm vẽ có... xác: C1 CAD-CAM> TONGQUAN 10 GVC NGUYỄN THẾ TRANH - Điểm mơ tả giá trị toạ độ, - Đường cong mơ tả chuỗi điểm phương trình, - Mặt cong mơ tả tập hợp điểm lưới đường cong, phương trình, - Khối... sau: C1 CAD-CAM> TONGQUAN GVC NGUYỄN THẾ TRANH - Thiết kế mô hình học chiều (3D) hình dạng phức tạp - Giao tiếp với thiết bị đo, quét toạ độ 3D thực nhanh chóng chức mơ hình học từ liệu số - Phân