Phần mềm này được viết vào cuối những năm 1970 và đầu 1980 để phát triển máy bay chiến đấu Mirage của Dassault, sau đĩ được áp dụng trong ngành hàng khơng vũ trụ, ơ tơ, đĩng tàu, và các ngành cơng nghiệp khác. Kiến trúc sư Frank Gehry đã sử dụng nĩ để thiết kế các Bảo tàng Guggenheim Bilbao và Walt Disney Concert Hall.
CATIA bắt đầu được hãng sản xuất máy bay Pháp Avions Marcel Dassault phát triển, vào thời điểm đĩ là khách hàng của các phần mềm CADAM CAD.
Lúc đầu phần mềm tên là CATI (Conception Assistée Tridimensionnelle Interactive — tiếng Pháp nghĩa là Thiết kế ba chiều được máy tính hỗ trợ và cĩ tương tác ) nĩ đã được đổi tên thành CATIA năm 1981, khi Dassault tạo ra một chi nhánh để phát triển và bán các phần mềm và ký hợp đồng khơng độc quyền phân phối với IBM.
Năm 1984, Cơng ty Boeing đã chọn CATIA là cơng cụ chính để thiết kế 3D, và trở thành khách hàng lớn nhất.
Năm 1988, CATIA phiên bản 3 đã được chuyển từ các máy tính Mainframe sang UNIX.
Năm 1990, General Dynamics/Electric Boat Corp đã chọn CATIA như là cơng cụ chính thiết kế 3D, thiết kế các tàu ngầm hạt nhân của Hải quân Hoa Kỳ. Năm 1992, CADAM đã được mua từ IBM và các năm tiếp theo CADAM CATIA V4 đã được cơng bố. Năm 1996, nĩ đã được chuyển từ một đến bốn hệ điều hành Unix, bao gồm IBM AIX, Silicon Graphics IRIX, Sun Microsystems SunOS và Hewlett- Packard HP-UX.
Năm 1998, một phiên bản viết lại hồn tồn CATIA, CATIA V5 đã được phát hành, với sự hỗ trợ cho UNIX, Windows NT và Windows XP từ 2001. Năm 2008, Dassault cơng bố CATIA V6, hỗ trợ cho các hệ điều hành Windows, các hệ điều hành khơng phải Windows khơng được hỗ trợ nữa.
Phần mềm CATIA là hệ thống CAD/CAM/CAE 3D hồn chỉnh và mạnh mẽ nhất hiện nay, do hãng Dassault Systems phát triển, phiên bản mới nhất hiện nay là CATIA V5R20 (mới hơn nữa là CATIA V62009) , là tiêu chuẩn của thế giới khi giải quyết hàng loạt các bài tốn lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: xây dựng, cơ khí, tự động hĩa, cơng nghiệp ơ tơ, tàu thủy và cao hơn là cơng nghiệp hàng khơng. Nĩ giải quyết cơng việc một cách triệt để, từ khâu thiết kế mơ hình CAD (Computer Aided Design), đến khâu sản xuất dưa trên cơ sở CAM (Computer Aided Manufacturing, khả năng phân tích tính tốn, tối ưu hĩa lời giải dựa trên chức năng CAE(Computer Aid Engineering) của phần mềm CATIA
3.3. Tổng quan về các phần mềm CAD/CAM hiện đại.
CAD – Computer Aided Design : Thiết kế dưới sự trợ giúp của máy tính
CAD xuất hiện vào trước năm 1960, với tư cách là cơng cụ vẽ (Drafting Tool). Vì vậy, trước đây CAD được coi như là “cây bút chì điện tử” (electronic Pencil). Cho đến những năm 80 của thế kỷ trước, vẽ vẫn là chức năng cơ bản của các phần mềm CAD. Các cơng cụ vẽ đã khơng ngừng được cải tiến và được bổ xung thêm các tiện ích khiến cho cơng việc vẽ được tiến hành nhanh chĩng hơn, chính xác hơn và giúp cho việc quản lý, trao đổi tài liệ thiết kế được dễ dàng hơn. Với chức năng vẽ thì theo tên goi ban đầu, CAD chỉ là cơng cụ trợ giúp vẽ trên máy tính điện tử (Computer Aided Draffting).
Theo thời gian CAD đuợc phát triển theo 2 hướng:
- Một mặt, CAD được tích hợp thêm nhiều chức năng mới. Với các tính năng đồ họa đặc trưng của mình, CAD đã trở thành mơi trường phát triển các cơng cụ tính tốn, phân tích, sản xuất (như tính tốn động học, động lực học cơ cấu, tính tốn khí động, nhiệt, từ, rung động cho đến việc lập trình, quản lý quy trình cơng nghệ gia cơng trên máy CNC,…). Nĩi cách khác, CAD ngày càng được tích hợp thêm những chức năng mới và nhờ các chức năng này CAD đã trở thành cơng cụ vơ cùng hữu dụng cho các kỹ sư thiết kế. Các thuật ngữ CAE (Computer Aided Engineering) hay CAM (Computer Aided Manufacturing) đã trở nên ngày càng quyen thuộc và gần gũi đối với những người làm kỹ thuật. Cĩ thể nĩi tuy cĩ các chức năng rất khác nhau nhưng các phần mềm CAE và CAM đều cĩ một đặc điêm trung là chúng đều được phát triển trong mơi trường đồ họa của CAD hoặc sử dụng trực tiếp dữ liệu đồ họa của CAD. Một cách tự nhiên, nhiều hệ CAD, như CATIA (IBM), Pro/Engineer (của PTC), Cimatron (Cimatron Coporation),…đã tích hợp nhiều cho mình nhiều chức năng của CAM và CAE. Chúng đã thực sự trở thành các phần mềm tích hợp CAD/CAM/CAE.
- Mặt khác, một số hãng sản xuất phần mềm CAD khác, như Autodesk (Với các phần mềm Mechanical Desktop và Inventor), Solid Works…, đã tạo ra một mơi trường mở, cho phép và khuyến khích tất cả các nhà phát triển sử dụng dữ liều và các cơng cụ điều hành của CAD để tạo ra các phần mềm CAM và CAE khác . Chiến lược hợp tác
trên cơ sở chuyên mơn hĩa đĩ cho phép tạo ra các sản phẩm phần mềm cĩ chất lượng cao, giá thành hạ và giải phĩng cho khách hàng khỏi sự lệ thuộc vào một vài hệ nhất định.
Dù bằng cách nào đi chăng nữa thì các chức năng CAM và CAE cũng được phát triển trên nền CAD. Nếu như khơng phân biệt một cách rạch rịi các chức năng CAD,CAM hay CAE do các hãng phần mềm tạo ra thì cĩ thể quan niệm rằng CAM và CAE thực chất là sự phát triển tiếp theo của CAD. Và với quan niệm này thì cĩ thể nĩi các phần mềm CAD hiện đại đã được tích hợp thêm các chức năng CAM và CAE.
3.3.1. Các chức năng cơ bản của một hệ CAD hiện đại.
a. Chức năng mơ hình hĩa.
Với các hệ CAD hiện đại, mơi trường làm việc của các kỹ sư thiết kế khơng phải là các bản vẽ (Drawing) mà là mơ hình (Model)
Bản vẽ đúng là ngơn ngữ của các kỹ sư, nĩ chứa các hình chiếu, hình cắt, mặt cắt, các chú giải theo các quy ước chuyên mơn mà chỉ người kỹ sư mới cĩ thể hiểu được và chỉ dùng để lưu trữ và trao đổi thơng tin với nhau. Bản vẽ thực chất là một tài liệu chết. Khi phần mềm CAD hiện đại, đối tượng làm việc là các mơ hình thiết kế. Trên cơ sở hình học 3D, các mơ hình cĩ thể dễ dàng quan sát, xoay chuyển theo các gĩc độ cùng các cự ly khác nhau, cĩ thể tính tốn và xác định các tài nguyên của chi tiết thật thơng qua mơ hình một cách nhanh chĩng, giữa các chi tiết cĩ thể được lắp ráp thành cụm chi tiết, thành sản phẩm và cĩ thể được mơ phỏng các quá trình hoạt động, các quá trình phân tích rất trực quan và tường minh.
b. Chức năng vẽ
Tạo bản vẽ kỹ thuật là chức năng khơng thể thiếu của các phần mềm CAD. Các phần mềm CAD hiện nay hỗ trợ 2 cơng cụ giúp tạo ra các bản vẽ kỹ thuật
Sketch là cơng cụ phác thảo, cĩ nhiệm vụ chính là tạo ra các Profile 2D hoặc 3D để từ đĩ hình thành các mơ hình vật đặc (Solid) hoặc bề mặt (Surface). Tuy nhiên, do kế thừa được các cơng cụ vẽ CAD truyền thống, lại được bổ xung cơng cụ tham số hĩa, sketcher của CAD hiện đại đã trở thành cơng cụ vẽ mạnh và linh hoạt để tạo ra các bản vẽ kỹ thuật. Người ta thường dùng cơng cụ sketcher để tạo ra các bản vẽ đơn giản. *. Tạo bản vẽ từ mơ hình.
Trong CAD hiện đại, bản vẽ là sự biểu hiện bằng ngơn ngữ của mơ hình. Vì vậy, cách thơng thường nhất đẻ tạo ra bản vẽ là xuất trực tiếp các hình chiếu, hình cắt từ mơ hình. Vì vậy, ngồi cách gọi thơng thường (Draw), bản vẽ cịn cĩ tên gọi khác là Layout. Từ một mơ hình cĩ thể tạo ra nhanh chĩng một hay nhiều bản vẽ. Giữa mơ hình và các bản vẽ được tạo ra lại cĩ mối liên hệ qua lại. Mỗi một thay đổi từ mơ hình sẽ được tự động cập nhật sang bản vẽ và ngược lại.
c Chức năng phân tích
Đĩ là chức năng tính tốn động học, động lực học, nhiệt, ứng xuất, biến dạng, rung động, …của các chi tiết, cơ cấu thiệt bị hay hệ thống. Trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn, các mơ hình, đối tượng phân tích tùy theo hình dạng hình học sẽ được phân tích và tạo lưới các phần tử hữu hạn một cách hợp lý. Phần mềm cung cấp cho người sử dụng tất cả các tài nguyên để cĩ thể xây dựng nên đề bài cho quá trính phân tích, bao gồm việc xác định vật liệu, xác định các thành phần yếu tố tác động vào mơ hình cũng như các điều kiện biên như lực, áp xuất, chuyển vị, nhiệt…vv thơng qua các thơng số nhập vào theo yêu cầu của bài tốn.
d. Chức năng CAM
CAM xuất hiện một cách độc lập với CAD, nhằm mục đích riêng là trợ giúp lập trình cho các máy NC. Xu huớng tích hợp CAD/CAM nảy sinh từ những năm 70 của thế kỷ trước để tận dụng mơi trường đồ họa hấp dẫn của CAD. Hiện nay phần lớn các hệ CAD hiện đại đều cĩ chức năng CAM và trở thành một hệ tích hợp CAD/CAM.
3.3.2. Những cơng nghệ mới trong CAD
Các phần mềm CAD 2D (như AutoCAD) buộc người dùng phải nhập chính xác
kích thước và các quan hệ hình học giữa các đối tượng vào bản vẽ. Điều đĩ khơng thể thực hiện khi chưa cĩ bản vẽ hồn chỉnh. Vì vậy, chức năng vẽ dù tốt đến đâu thì cũng khơng thể đảm bảo cho CAD cơng cụ trợ giúp thiết kế thực sự. Muốn cĩ mơi trường thiết kế phải cĩ CAD 3D với chức năng mơ hình hĩa và phân tích mạnh với các cơng nghệ thiết kế mới. Các cơng nghệ này đảm bảo cho người kỹ sư thiết kế theo “Quy trình thuận” như trong sơ đồ sau
Hình 3.1- Quy trình thiết kế thuận
Các hệ CAD hiện đại đều sử dụng cơng cụ mơ hình hĩa 3D, trong đĩ tích hợp các cơng nghệ sau:
a. Thiết kế theo tham số (Parametric Design)
Với cơng nghệ này, thay vì phải vẽ chính xác ngay từ đầu (điều khĩ thực hiện), ta bắt đầu với việc phác thảo chi tiết, sau đĩ mới chính xác hĩa bằng cách gán kích thước và các liên kết hình học cho đối tượng. Cũng cĩ thể gán các mối quan hệ cho các yếu tố hình học để mỗi khi thay đổi một yếu tố thì các yếu tố khác sẽ tự động thay đổi theo. Cơng nghệ thiết kế theo tham số tạo cho CAD các yếu điểm sau:
- Giúp cho người thiết kế hình thành và thể hiện ý tưởng thiết kế theo quy luật tự nhiên của quá trình tư duy: Đi từ phác thảo ý đồ đến chính xác hĩa mơ hình rồi mới xuất tài liệu thiết kế dưới dạng bản vẽ (Drawing)
- Tạo cho quá trính thiết kế được mềm dẻo, linh hoạt. Các sản phẩm thiết kế cĩ thể được sửa đổi một cách dễ dàng, trong bất cứ giai đoạn nào.
- Dễ kế thừa các kết quả đã cĩ. Nhờ cơng nghệ này mà người dùng cĩ thể tự tạo ra các thư viện các chi tiết hoặc kết cấu máy cho riêng mình và sử dụng chúng một cách hiệu quả.
- Giữ mối liên kết mơ hình và tài liệu thiết kế.
b. Thiết kế hướng đối tượng (Feature Based Design).
Cơng nghệ này đã đánh dấu một bước tiến lớn trong cơng nghệ CAD. Thay vì làm việc với các đối tượng đơn giản, như đường thẳng, cung trịn, kích thuớc,…rời rạc, người dùng làm việc trực tiếp với các bề mặt (phẳng, trụ, rãnh then…vv) với các chi tiết và các cụm lắp ráp. Nhờ thế cĩ thể tạo ra các mối ghép, các khớp, cặp truyền động như trong thế giới thực.
Nhờ các đối tượng được quản lý chặt chẽ theo tên gọi và theo số lượng, việc tạo ra cơ sở dữ liệu và xuất bảng danh mục sản phẩm trong bản vẽ lắp được thuận tiện và dễ dàng, chính xác.
Đối tượng cơ sở dùng trong CAD hiện đại là các Feature (Đặc tính). Từ các đặc tính này mới hình thành các chi tiết máy, các cụm lắp và các sản phẩm lắp ráp hồn chỉnh.
3.3.3. Phương thức chuyển đổi dữ liệu giữa các hệ phần mềm.
Trong thiết kế và chế tạo cơng nghiệp ngày này, thường phải truyền dữ liệu từ một tổ chức đang dùng hệ thống này sang một tổ chức đang dùng hệ thống khác. Nhưng thực tế lại thường xảy ra trường hợp các mơ hình hình học được tạo dựng bời một hệ CAD/CAM lại khơng thể trực tiếp sử dụng trong một hệ CAD/CAM khác được. Đĩ là vấn để thuộc tính tương thích hay tính thích hợp của cơ sở dữ liệu (Data Base Compatibility)..
Cĩ hai nguyên nhân chính về tính khơng tương thích của cá hệ phần mềm CAD/CAM đĩ là:
Phần lớn các cơ sở dữ liệu tạo lập bản vẽ CAD/CAM cĩ tính thương mại, được xây dựng theo quy cách riêng chặt chẽ của từng hãng nhằm giảm thời gian truy cập và giảm khơng gian chiếm dụng nhằm lưu trữ trên đĩa.
Để cĩ thể tích hợp các hệ CAD/CAM khác nhau, những tiêu chuẩn chuyển giao bản vẽ (Drawing interchange standards) thường xuyên là mối quan tâm hàng đầu của các hãng sáng lập phần mềm CAD/CAM. Cĩ hai giải pháp chính đang được vận dụng để giải quyết các vấn để chuyển giao dữ liệu này là: truyền thơng trực tiếp (direct communication) và truyền thơng gián tiếp (indirect communication).
a.Truyền thơng trực tiếp.
Giải pháp này thường được ứng dụng ở các bộ phần mềm đặc biệt để cĩ thể trực tiếp chuyển giao và trao đổi các tệp dữ liệu bản vẽ. Để thực hiện được cơng việc này, giữa hai bộ phần mềm cần phải cĩ được một bộ dịch để cĩ thể chuyển đổi các dữ liệu mơ hình hình học số được xây dựng từ hệ phần mềm này sang dữ liệu hình học số thích hợp với bộ phần mềm muốn kết nhập dữ liệu.
Giải pháp này cĩ ưu điểm là hữu hiệu, tiết kiệm được thời gian và dung lượng đĩa, đây là giải pháp thỏa đáng cho các hệ phần mềm cĩ trợ giúp. Tuy nhiên, nĩ cũng gặp các hạn chế về chi phí bảo dưỡng, đồng thời cũng cần phải thường xuyên nâng cấp các bộ dịch khi các hãng sản xuất phần mềm nâng cấp thế hệ phần mềm mới.
b. Truyền thơng tiêu chuẩn – dịch gián tiếp.
Người ta cũng cĩ thể chuyển đổi dữ liệu giữa các hệ CAD/CAM khác nhau bằng một cách gọn gàng hơn: đĩ là chuyển giao dữ liệu bằng cách dùng cấu trúc cơ sở dữ liệu trung gian (neutral database), gọi là tệp trung gian (neutral file) khơng phụ thuộc vào các hệ CAD/CAM hiện cĩ hoặc sẽ cĩ trong tưong lai. Người ta gọi cách đĩ là cách chuyển giao dữ liệu gián tiếp (intermediat) giữa các hệ cơ sở dữ liệu khác nhau. Với cách này từng hệ CAD/CAM phải cĩ một cặp bộ xử lý của nĩ (own pair of processors)
để chuyển đổi cơ sở dữ liệu thành quy cách tệp trung gian và ngược lại, từ quy cách tệp trung gian thành quy cách tệp gốc của nĩ.
Giải pháp này cĩ những ưu điểm như sau:
- Người tạo lập phần mềm dễ dàng vận dụng cơng cụ dịch với quy cách tệp tiêu chuẩn.
- Thời gian phát triển ngắn
- Cung cấp được một kênh truyền thơng mở và tin cậy xuyên qua tất cả các hệ CAD/CAM
Hạn chế của giải pháp này gồm cĩ:
- Chỉ đề cập tới các đặc tính hình học cơ bản, cịn các tiêu chuẩn hình học khác như: kiểu đường, các lớp vẽ xếp chồng nhau (layer) và kích thước khơng được xác định tốt trong các hệ CAD/CAM.
- Trong nhiều trường hợp, chính bộ chuyển dổi gián tiếp cịn cĩ thể là nguyên nhân gây cản trở việc phát triển các tính năng phức tạp mới của các hệ phần mềm nếu như việc cải tiến nĩ khơng thể theo kịp được với những sự phát triển mạnh mẽ đĩ của các thế hệ phần mềm.
- Trợ giúp thiết lập bản vẽ thơng dụng và được quản lý theo từng kiểu loại.
- Cĩ được cơ sở dữ liệu cũng như thuật tốn chuyển đổi để cĩ thể tiết kiệm tối đa