CAM xuất hiện một cách độc lập với CAD, nhằm mục đích riêng là trợ giúp lập trình cho c¸c m¸y NC. Xu h−íng tÝch hợp CAD/CAM nảy sinh từ những năm 70 của thế kû tr−íc ®Ĩ tËn dơng m«i tr−ờng đồ hoạ hấp dẫn của CAD. Hiện nay phần lớn các hệ CAD hiện đại đều có chức năng CAM và trở thành các hệ CAD/CAM. Chức năng CAM đợc hình thành trong CAD theo 2 h−íng nh− đà phân tích ở đầu ch−¬ng:
- Theo h−ớng thứ nhất, các nhà sản xuất phần mềm CAD bổ sung thêm chức năng CAM vào sản phẩm CAD của họ để tạo ra các phần mềm CAD/CAM thống nhất. Đó là trng hp ca cỏc phần mm Pro/Engineer, Cimatron, CATIA.
- Theo h−ớng thứ hai, các nhà chuyên viết phần mỊm CAM ph¸t triĨn c¸c modul CAM trên nền các phần mềm CAD của hÃng khác. Bằng cách này, các sản phẩm CAD/CAM kế thừa ®ợc tinh hoa của các hÃng sản xuất hàng đầu thế giới trong cả 2 lÜnh vùc. VÝ dô, h·ng Pathrace đà chọn các phần mềm CAD đ−ỵc −a chuéng nhÊt thÕ giíi, nh− Mechanical Desktop, Inventor, Solid Work để phát triển phần mềm EdgeCAM của họ. Kết quả là sinh ra các tổ hợp
* Mơ hình đ−ỵc thùc hiƯn bởi phần mềm Dynamic Designer của ADAMS, chạy trên MDT4.
Solid Work) tèt h¬n nhiỊu so víi mỊm EdgeCAM chÝnh gèc cđa Pathrace.
1.2. Những công nghệ mới trong CAD
Các phần mềm CAD 2D (nh− AutoCAD) buéc ng−ời dùng phải nhập chính xác các kÝch thớc và các quan hệ hình học giữa các đối tợng vào bản vẽ. Điều đó khơng thể thực hiện ®−ỵc khi ch−a có bản thiết kế hồn chỉnh. Vì vậy, chức năng vẽ dù tốt đến đâu thì cũng khơng thể đảm bảo cho CAD thành công cụ trợ giúp thiết kế thực sù. Muèn cã m«i tr−êng thiÕt kÕ phải có CAD 3D với chức năng mơ hình hố và phân tích mạnh với các cơng nghệ thiết kế mới. Các công nghệ này đảm bảo cho ng−êi kü s− thiÕt kÕ theo "quy tr×nh thn", nh− trong s¬ đồ hình 1-Error! Bookmark not defined..
Kết quả Phác thảo Lập mô hình Tính toán Kim nghiệm Chỉnh sưa
Quy tr×nh thiÕt kÕ thn
Các hệ CAD hiện đại đều sử dụng cơng cụ mơ hình hố 3D, trong đó tích hợp các cơng nghệ sau:
1.2.1. ThiÕt kÕ theo tham sè (Parametric Design)
Với cơng nghệ này, thay vì phải vẽ chính xác ngay từ đầu (điều khó thực hiện), chúng ta bắt đầu bằng phác thảo, sau đó mới chính xác hố bằng cách g¸n kÝch th−ớc và các liên kết hình học cho đối t−ỵng. Chóng ta cịng có thể gán mối quan hệ giữa các kích th−íc (vÝ dơ sù phơ thc cđa ®−ờng kính lỗ vào chiều dày moay ơ) để mỗi khi thay đổi chiều dày moay ơ thì ®−êng kÝnh tù ®éng thay đổi theo. Cơng nghệ tham số tạo cho CAD các −u ®iĨm sau:
- Gióp ng−êi kü s− hình thành và thể hiện ý t−ëng thiết kế đúng theo quy luật tự nhiên của quá trình t− duy: ®i tõ phác thảo ý đồ đến chính xác hố mơ hình råi míi xt tµi liƯu thiÕt kÕ.
- Lµm cho q trình thiết kế đợc mềm dẻo, linh hoạt. Các s¶n phÈm thiÕt kÕ cã thĨ ®−ợc sửa đổi một cách dễ dàng, trong bất cứ giai đoạn nào.
- Dễ kế thừa các kết quả thiết kế đà có. Nhờ cơng nghệ này mà ng−êi dïng cã thĨ tù tạo các th− viƯn c¸c chi tiết hoặc kết cấu máy cho riêng mình và sư dơng chóng mét c¸ch hiƯu quả.
- Giữ mối liên kết giữa mơ hình và tài liệu thiết kế (nh− cp trờn).
Cụng ngh ny đánh dấu mét b−íc tiÕn lín trong c«ng nghƯ CAD. Thay vì làm việc với các đối t−ợng đơn giản, nh− đờng thẳng, cung tròn, kích thớc,... rời rạc, ngời dùng lµm viƯc trùc tiếp với các bề mặt (trơ, ren, r·nh then), víi các chi tiết và cụm lắp ráp (xem h×nh 1-Error! Bookmark not
defined.). Nhê vËy cã thể tạo các
mối ghép, các khớp, cặp truyền động nh− trong thÕ giíi thùc.
Quản lý mơ hình theo đối t−ỵng
Nhờ các đối tợng đợc quản lý chặt chẽ theo tên gọi và số lợng, việc tạo ra cơ sở dữ liệu và xuất bảng danh mục sản phẩm trong bản vẽ lắp ®−ợc thuận tiện và dễ dàng, chính xác.
§èi t−ợng cơ sở dùng trong CAD hiện i l cỏc Feature. Từ các Feature mới hình thnh các chi tiết máy, các cụm lắp và các sản phẩm lắp ráp hoàn chØnh.
1.2.3. ThiÕt kÕ thÝch nghi (Adaptive Design)
Đến thời điểm này công nghệ thiết kÕ thÝch nghi cßn rÊt míi, duy nhÊt chØ cã ë phÇn mỊm Inventor cđa Autodesk. Nó cho phép tạo ra các mơ hình "thơng minh", tù thay ®ỉi kÝch th−ớc để lắp vừa với chi tiết đối ứng. Tr−ờng hợp trong hình 1-Error! Bookmark not
defined. lµ mét vÝ dơ: càng 1 (chi tiết thích nghi) khơng lắp vừa với vành 2 (chi tiết cố định)
do kÝch th−íc cđa chóng kh¸c nhau. Sau khi lắp đợc mặt bên trái, càng 1 tự thay đổi kÝch thớc để lắp vừa mặt bên phải của vành 2. Cơng nghệ thích nghi giúp cho q trình thiết kế ®−ợc mềm dẻo và năng suất hơn.
C«ng nghƯ thÝch nghi cđa Autodesk Inventor
Trong phần này chúng tơi giải thích các thuật ngữ cơ bản dùng trong các phÇn mỊm thiÕt kế theo tham số và hớng đối tng*.
ã Sketch
Sketch là đối tợng hình học đơn giản, dạng khung dây 2D hoặc 3D, đợc dùng để tạo ra
c¸c Feature. Sketch bao gồm các phần tử hình học cơ bản (Entity) cđa CAD, nh đoạn th¼ng
(Line), cung tròn (Arc), vòng tròn (Circle), chữ nhật (Rectang),... đc sp xếp và định hình
một cách có chủ đích nhờ các liên kÕt (Constraint) và các kích th−íc (Dimension).
C¸c Constraint quy định vị trí t−¬ng quan giữa các phần tử hình học. Các Constraint
th−êng dïng lµ:
- Same Point: trùng khít toạ độ 2 điểm
- Horizontal: giãng một đờng thành nằm ngang - Vertical: gióng một đng thành thẳng đứng
- Point On Entity: buộc một điểm nằm trên một đ−êng
- Tanggent: buéc 2 ®−êng tiÕp tun víi nhau
- Perpendicular: bc 2 ®−ờng thẳng vng gúc vi nhau - Parallel: buộc 2 đờng thẳng song song víi nhau - Equal Radii: buéc 2 cung trịn có bán kính bằng nhau - Equal Lengths: bc 2 ®−êng cã chiỊu dµi b»ng nhau - Symmetric: bc 2 ®iĨm ®èi xøng nhau qua mét centerline - Line Up Horizontal: bc 2 ®iĨm n»m ngang víi nhau - Line Up Vertical: buộc 2 điểm thẳng đứng víi nhau - Collinear: buộc 2 đờng thẳng trùng nhau
- Allinment: bc một đim hoc mt ng nm trờn mt ờng khác.
Các kích thớc dùng trong Sketch là kích thớc tham sè (Parametric Dimension). Kh¸c với trong CAD truyền thống, mỗi đối t−ỵng nhận các giá trị kích thớc cố định, trong CAD tham sè, chóng nhËn c¸c tham số (biến) với giá trị thay đổi đợc. Mỗi khi thay đổi giá trị của tham số thì bản thân đối tợng bị thay đổi theo. Hơn nữa, giữa các tham số có thể hình thành mối quan hệ (Relation), để khi một tham số thay đổi thì các tham số liên quan bị thay đổi theo. Điều này tạo sự linh hoạt cho quá trình thiết kế.
VÝ dơ vỊ mèi quan hƯ tham sè nh− trong h×nh 1-Error! Bookmark
not defined.. Khi thay đổi giá trị chiều
réng d1 cña khèi hép thì giá trị của chiều dài d2 và chiều cao d3 thay đổi theo quan hÖ: d2 = 2 × d1 d3 = 0.8 × d1 Quan hÖ tham sè d1 d3=0.8*d1 d2=2*d1
* Ban đọc nên dùng cho quen các thuật ngữ chuẩn bằng tiếng Anh. Vì vậy, chúng tơi khơng dịch mà chỉ giải thích một lần. Sau này chúng sÏ ®−ỵc dïng nh− nguyên bản.
Feature là đối tợng hình học 3D cơ bản nhÊt cđa Feature Based CAD, hình thành hoặc
trợ giúp cho hình thành các mơ h×nh chi tiÕt (Part) hoặc mơ hình lắp ráp (Assembly). Theo vai trß cđa Feature trong thiÕt kÕ hc trong kÕt cÊu, ng−êi ta ph©n biệt các loi Feature sau:
ã Sketched Feature: Feature đc tạo ra từ Sketch. Sau khi cã Sketch, ng−êi ta míi
dùng các cơng cụ mơ hình hố (Extrude, Revolve, Sweep, Loft,...) để tạo ra Feature. Feature đầu tiên trong mi chi tit phi là Sketched Feature. Vì vậy Sketched FeatureI cịn đ−ỵc gäi lµ
Feature cơ sở. Các Sketched Feature thờng là các bề mặt cơ bản trong chi tit.
ã Placed Feature:Feature đc to ra trờn c sở các Feature khỏc. Chỳng khụng da
vào Sketch hoc chỉ dựa một phần vào Sketch. Các loại Placed Feature cơ bản là Hole (lỗ),
Fillet hc Round (vê trịn cnh hoc gúc), Chamfer (vát cnh hoc gúc), Rib (gân), Sheel (vá
mỏng). Pro/E gọi các loại này là Construction Feature.
• Work Feature: Feature khơng cấu thành chi tiết mà chỉ giúp ích cho hình thành chi
tiết. Chúng th−êng ®−ợc dùng làm chuẩn kích thớc để định vị c¸c Feature kh¸c trong chi tiÕt hoặc để định vị các chi tiết trong cụm l¾p. T−ơng ứng với 3 loại chuẩn cơ bản (mặt chn, trơc chn, ®iĨm chn) có 3 loại Work Feature là Work Plane, Work Axis và Work Point. Pro/E gọi các Work Feature là Datum: Datum Plane, Datum Axis, Datum Point.
• Part
Kh¸i niƯm Part t−ơng ứng với khái niệm chi tiết máy trong cơ khí. Vì vậy, khi làm việc với các phần mềm thiết kế cơ khí nªn gäi Part lµ chi tiết máy, hay đơn giản lµ chi tiÕt. Khi lắp ráp, ngời ta còn dùng từ Component (cấu tư) thay thÕ cho tõ Part.
• Assembly
Assembly ®−ỵc hiĨu t−¬ng tù nh− trong cơ khí là cụm lắp độc lập. Assembly ®−ợc hình
thành bằng cách ghép chi tiết hoặc các cụm lắp con (Sub Assembly) nhê c¸c mèi ghÐp
(Constraint). Sơ đồ cấu trúc cđa Assembly có dạng nhánh cây.
• Sub Assembly
Sub Assembly ®−ỵc hiĨu t−¬ng tù nh trong lắp ráp cơ khí là cụm lắp con. Nã ®ợc hình
thành từ các chi tiết hoặc các cụm lắp con khác. Sub Assembly khác với Assembly chỉ ở tính độc lập.
1.4. Khái quát về các hệ CAD/CAM có mặt ở ViƯt Nam
Sè hƯ CAD/CAM có thể gặp ở Việt Nam có thể đến vài chục, trong đó có sản phẩm của các nhà cung cấp nổi tiếng bậc nhất thế giới. Trong bài này chỉ đề cập các hệ ®−ợc biết đến nhiều nhất, nh− CATIA, Cimatron, Pro/Engineer, SolidWorks. Mỗi ng−êi sư dơng CAD/CAM có thể có đánh giá riêng. Sau đây là một số thông tin thu thập qua các tài liệu phân tích thị tr−êng cđa n−íc ngoµi.
Víi xu h−ớng tồn cầu hố và trình độ th«ng tin nh− hiện nay thì việc cập nhật các chức năng và công nghệ tiên tiến khá dễ dàng. Điều đó thể hiện ở chỗ thời gian để các hÃng đ−a ra mét version míi ®ợc rút ngắn rất nhanh. Một công nghệ mới ra đời tại hÃng này thì chỉ mấy tháng sau đà thấy xuất hiện ở sản phẩm của hÃng khác. Vì vậy, khơng thấy có sự khác biệt Ch−ơng 1.Tổng quan về công nghệ tham số và hớng đối tng trong CAD/CAM hin i 8
cách cung cấp các modul chức năng tới khách hàng nh− thế nào, mà đó là vì lý do th−¬ng mại. Khi lựa chọn phần mềm, ngồi tính năng kỹ thuật, cần đặc biệt quan tâm đến môi trêng lµm việc mà phần mềm tạo ra và chi phí sử dụng phần mềm.
Pro/E là s¶n phÈm cđa PTC (Parametric Technology Corp). Đây là hÃng lín, cã bỊ dµy và doanh thu cao trong thị trờng CAD thế giới. Mäi cơng việc về cơ khí: thiết kế thơng th−ờng, khn, phần tử hữu hạn, lắp ráp, CAM (lập trình cho máy phay tới 5 trục, tiƯn víi trơc C, c¾t dây,...) đều có thể thực hiện trên Pro/E và các modul më réng cña nã. Nhợc điểm lớn nhÊt cđa Pro/E lµ rÊt khã häc và khó sử dụng. Các phiên bản tr−íc cđa Pro/E chạy trong Unix. Gần đây PTC cho ra các phiên bản Windows, và kể từ phiên bản Pro/E 2000i đà rất cố gắng c¶i tiÕn giao diƯn ng−êi dïng theo chuẩn Windows. Phiên bản Pro/E Wildfire ra năm 2002 đà thĨ hiƯn bớc tiến đáng ghi nhËn vỊ giao diƯn ng−êi dïng cña Pro/E. Tuy nhiên, ngay cả trong các phiên bản mới của Pro/E, khả năng xử lý tài ngun cịn hạn chế. Cùng một cơng việc, Pro/E địi hỏi cấu hình phần cứng máy tính cao và chạy khá nặng nề.
Cimatron là sản phẩm của hÃng cùng tên (Israel), có tính năng và đặc điểm t−¬ng tù nh− của Pro/E. Đó là phần mềm mơ hình hố 3D mạnh, đặc biệt về thiết kế khn mẫu, mơ hình hố và gia cơng bề mặt. Các phiên bản tr−ớc của Cimatron cũng rất khó dùng. Bắt đầu từ phiên bản 12, giao diện cđa Cimatron cịng ®−ợc cải tiến một cách tích cực theo chuÈn Windows.
SolidWorks và Autodesk là 2 hÃng sản xuất phần mềm CAD nổi tiếng thế giới, đà sớm cho ra các phiên bản Windows.
SolidWorks là sản phẩm của hÃng cùng tên (SolidWorks Corp.). Ưu điểm lớn nhất cđa nã lµ giao diƯn hoµn toµn t−ơng thích với Windows và giá cả phải chăng. Nhợc điểm của SolidWorks là chức năng vẽ (Draft) và mơ hình hóa bề mặt hạn chế.
Autodesk có 2 sản phẩm thiết kế cơ khí chun dùng là Mechanical Desktop (MDT) vµ Inventor. MDT chạy trên nền AutoCAD nên mọi giao diện tơng tự ca AutoCAD, đc ngời s dng hoan nghờnh khi họ muốn chuyển từ môi tr−êng CAD trun thèng sang m« hình hố 3D. Inventor chạy độc lập, sử dụng cơng nghệ tiên tiến. Ngồi cơng nghệ tham số, h−íng ®èi t−ỵng nh các phần mềm khác, Inventor lần đầu trình diễn cơng nghệ thiết kế thích nghi. Chức năng quản lý theo Project cho phép thiết kế và quản lý các cụm lắp ráp lớn. Giao diÖn ng−êi dïng cđa Inventor rÊt hoµn chØnh, thân tiện, tiện dụng và hấp dẫn. Hệ thống thanh công cụ của Inventor đ−ỵc thiÕt kÕ gän, th«ng minh, cho phÐp ng−êi dïng giảm thiu di chun và số ln bm chut. Bờn cạnh đó, Inventor có hệ thống trợ giúp khá đầy đủ, phục vụ tèt cho mäi líp ngời dùng. Bản thân MDT và Inventor là phần mềm CAD/CAE chỉ có chức năng thiết kế thơng th−êng: mơ hình hóa solid v b mt, phn t hu hạn, th vin cơ khÝ, tính các bộ truyền,... Các chức năng đặc biệt khác, nh− khn, CAM, đợc tích hợp từ các nhà phát triển thứ 3 (MAI). Ưu điểm lớn nhất của các phần mềm này là dễ sư dơng, giao diƯn ng−êi dùng thân thiện. Giá cả của chúng thuộc loại thấp.
Giao diÖn ng−êi dïng là một chỉ tiêu hết sức quan trọng, vì có mét thùc tÕ lµ nhiỊu nhµ thiết kế giỏi lại khơng giỏi về máy tính. Hơn nữa, giao diện tốt cho phép tăng năng suất thiÕt kÕ ®Õn 200%. MDT, Inventor và SolidWorks tạo ra mơi trờng làm việc thoải m¸i cho ng−êi dïng nhê các một hệ thống giao diện nhiều kênh, từ thanh và hộp cơng cụ đến menu chuẩn và
chuyªn.
H×nh 1-Error! Bookmark not defined., bên trái là giao diện của Inventor 4. Nó có các thanh và hộp cơng cụ trực quan, gÇn nh− ng−ời dùng chỉ cần bấm chuột. Bên phải là giao diện của Cimatron 10, chỉ có các thanh menu khơ cứng, khó ®iỊu khiĨn.
(a) (b)
Giao diƯn ng−êi dïng cđa Inventor 4 (a) vµ cđa Cimatron 10 (b)
Nhê giao diƯn tèt, Inventor cho phÐp ph¸c hoạ 218%, Edit mơ hình chi tiết:: 237%, mơ hình lắp ráp: 197%, xử lý cụm lắp ráp với 1000 chi tiết: 182%, cụm 3000 chi tiÕt: 217%, xuÊt b¶n vẽ tiêu chuẩn: 272% nhanh hơn Pro/Eng(*).
Các sản phẩm của Autodesk và SolidWorks còn cung cÊp cho ng−êi dïng mét hƯ thèng trợ gíup, cơng cụ huấn luyện phong phú, thiết thực và tiện dụng. Nhờ thế, nhng ai đà làm quen với AutoCAD (số này chiếm tới 60% ngời dùng CAD) và Microsoft Windows đu có thĨ tiÕp cËn hƯ thèng nµy sau mét vµi ngµy hn lun.
(*)Autodesk Inventor 5 White Paper: The Best Choice for AutoCAD Users; Autodesk 2001.