Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ TRỢ GIÚP CỦA MÁY TÍNH TRONG LĨNH VỰC THIẾT KẾ,CHẾ TẠO MÁY

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ TRỢ GIÚP CỦA MÁY TÍNH TRONG LĨNH VỰC
THIẾT KẾ,CHẾ TẠO MÁY
Trong những năm gần đây, máy tính đã trở thành một công cụ không thể thiếu
được trong các ngành kinh tế khác nhau. Đặc biệt trong lĩnh vực thiết kế sự hỗ trợ
của máy tính được hàng loạt các vấn đề mà trước kia không thể giải quyết được
hoặc phải đưa vào các giả thiết để đơn giản hóa. Với sự trợ giúp của máy tính
chúng ta có thể nâng cao chất lượng sản phẩm, hạ giá thành. Cho phép rút ngắn
thời gian tạo ra, thay đổi kiểu dáng của sản phẩm. Tất cả các yếu tố này tạo cho
sản phẩm có khả năng cạnh tranh cao trong nền kinh tế thị trường. Các trợ giúp
của máy tính trong ngành cơ khí tập trung vào ba lĩnh vực chính :
• Thiết kế : Computer Aided Designing (CAD)
• Phân tích, thanh toán : Compuer Aided Engineering (CAE)
• Điều khiển quá trình gia công : Compuer Aided Manufacturing (CAM)
I. TRỢ GIÚP CỦA MÁY TÍNH TRONG THIẾT KẾ
Sự trợ giúp của máy tính trong thiết kế (CAD ) là việc tạo ra và xử lí các bức
ảnh ( mẫu thiết kế) trên máy để giúp đỡ người kĩ sư trong quá trình thiết kế. CAD
đã được liên tục phát triển trong hơn một phần tư thế kỉ vừa qua và đã trở thành
một công cụ không thể thiếu được trong việc thiết kế cũng như gia công. CAD
xoay quanh việc liên kết thuộc tính tốt nhát của ba phần chính : Phần cứng CAD,
Phần mềm CAD và người dùng.
Sự phối hơp giữa khả năng của con người và máy tính để sử lí các vấn đề đặt
ra trong thiết kế đã tạo ra được một sự tối ưu của các hệ thống CAD.
Cho dù nhiều người còn nghĩ rằng CAD giống như một bàn vẽ điện tử, các
chức năng của nó đã vượt ra ngoaì việc vẽ ra các bản vẽ. Các công việc tính toán,
phân tích khác nhau như : phân tích các phần tử hữu hạn, tính toán sự truyền
nhiệt,tính toán ứng suất, mô phỏng động lực học cơ cấu,tính toán động lực học chất
lỏng. . . , được thực hiện ngay trong các hệ CAD,ở đó chúng ta có thể sử dụng
ngay các mô hình đã được tạo ra một cách trực quan trên màn hình, nơi mà ta có
thể dễ dàng gán cho nó các thuộc tính vật lí khác nhau như vật liệu,các lực tác
dụng lên chi tiết.

Các tiện ích thiết kế mà CAD cung cấp có thể gộp lại trong 3 lĩnh vực:
► Phác họa và vẽ.
► Mô hình khung dây.
► Mô hình hình học.
1. 1 VẼ VÀ THIẾT KẾ


Ngày nay việc phác họa và vẽ được người kĩ sư thực hiện trên máy tính cá
nhân hoặc trạm làm việc. Tất cả các phần mềm vẽ hoạt động trên cùng một phương
thức. Các đường và điểm cấu thành ra bản vẽ được nhập vào máy bằng các thiết bị
nhập khác nhau. Nói chung một cặp sợi tóc vuông góc trên màn hình (Crosshair )
thường được dùng để xác định điểm vẽ.
Quá trình vẽ thường được trợ giúp bởi bảng các Menu lệnh giúp cho việc tạo
dựng các chi tiết cơ sở với tốc độ nhanh nhất.
Nhiều phần mềm cung cấp cho chúng ta một loạt các phương thức để thay đổi
bản vẽ ngay sau khi nó được đưa vào máy tính ví dụ như : xoay (Rotate ) ,phóng
to – thu nhỏ(Scale)
Nhiều chức năng khác cũng được các phần mềm vẽ cung cấp để công việc vẽ
được thực hiện dễ dàng hơn. Ví dụ như :
• Một vùng xác định có thể phóng to ra để có thể bộc lộ rõ ràng hơn các chi
tiết (chức năng ZOOM).
• Một bản vẽ có thể được dịch chuyển theo phương thẳng đứng hoặc nằm
ngang bằng cách sử dụng chức năng PAN.
• Một lưới hoặc một chuỗi các điểm cách đều có thể được hiển thị trên màn
hình để trợ giúp cho quá trình vẽ. Lưới trợ giúp cho người vẽ khi vẽ đường
thẳng và cảm giác về tỷ lệ.
• Một chức năng khác được gọi là SNAP đảm bảo cho việc bắt điểm sẽ
trùng với mắt lưới gần nhất.
Công cụ truy bắt của các phần mềm CAD cho phép chúng ta bắt được chính xác
vào các điểm đặc biệt của các đối tượng vẽ đã tồn tại ví dụ như :

* Điểm cuối của cung tròn, đoạn thẳng.
* Điểm giữa của cung tròn, đoạn thẳng.
* Điểm tâm của cung tròn, đường tròn.
* Các điểm đặc biệt của đường tròn (90,180,270,360)
* Điểm giao của các đối tượng vẽ.
* Tạo ra các tiếp tuyến và pháp tuyến. . .
• Chức năng COPY cho phép sao chép một đối tượng vẽ sang một vị trí bất
kì khác.
• Chức năng ROTATE cho phép xoay đối tượng vẽ,
• Chức năng MIRROR tạo ra các các câu đối xứng quanh một trục.
Một nguồn trợ giúp khác của máy tính trong việc vẽ là thư viện các chi tiết
mà nó có thể phát triển cho các ứng dụng xác định, ví dụ như các đường ống, bu
lông, bánh răng. . . Các thư viện này có thể chứa hàng trăm các đối tượng đã định
nghĩa từ trước và chúng nó có thể gọi ra và định vị vào trong bản vẽ. Thêm vào đó
ta có thể thêm vào hoặc bớt đi các chi tiết trong thư viện này tùy thuộc vào công
việc thiết kế của mình.


Các trợ giúp khác bao gồm tự động ghi kích thước, tự động bỏ các nét khuất,
hoặc việc kiểm tra một vị trí bất kì trên bản vẽ một cách thuận tiện bằng cách dùng
bàn phím.
Lớp vẽ ( Layer, Level ) là một chức năng hết sức quan trọng mà nhờ nó bản
vẽ được chia ra thành các lớp riêng biệt. Chức năng này giúp chúng ta đơn giản
hóa việc tạo ra bản vẽ cũng như làm cho việc in dấu dễ dàng hơn bởi vì các lớp
khác nhau có thể in trong các màu khác nhau.
Và quan trọng nhất là các bản thiết kế được lưu trữ trong máy tính có thể chuyển
trực tiếp đến công đoạn gia công mà không phải in ra giấy.
1. 2. MÔ HÌNH KHUNG DÂY ( WIRE FRAME)
Rất nhiều phần mềm vẽ trên thị trường cho phép người dùng phát triển mô
hình khung dây, sử dụng các đường thẳng nối liền nhau để mô tả một cách đơn

giản hình dáng hình học của chi tiết trong không gian ba chiều. Mô hình khung dây
yêu cầu thời gian máy cũng như bộ nhớ ít hơn và cung cấp một chút thông tin về
bề mặt không liên tục của chi tiết. Chúng được tạo bởi việc xác định điểm và
đường trong không gian. Vùng hoạt động của màn hình thường xuyên được chia ra
các vùng thể hiện các hình chiếu khác nhau của mô hình Hệ thống CAD xây dựng
mô hình trên cơ sở của các điểm được xác định bởi người dùng và các lệnh được
chọn từ menu lệnh
Người thiết kế có thể tạm thời dấu đi các đối tượng vẽ được lưu chọn khỏi màn
hình mà không xóa chúng khỏi mô hình để nhận được một hình vẽ rõ nét hơn. Sau
khi vẽ xong người thiết kế cũng có thể loại bỏ nét khuất để mô hình có một dáng
vẻ thực tế.
1. 3. MÔ HÌNH BỀ MẶT (SURAFACES)
Mô hình khung dây không chứa các thông tin về bề mặt và cũng không có sự
khác biệt bởi bên trong và bên ngoài của đối tượng. Nhiều sự không rõ ràng của
mô hình khung dây được khắc phục bởi mô hình bề mặt. Mô hình này định nghĩa
các chi tiết hình học một cách chính xác và cung cấp một cơ sở dữ liệu đầy đủ cho
việc gia công trên máy CNC. Mô hình bề mặt được tạo ra bởi việc nối kết nhiều
dạng bề mặt thành các đối tượng được tạo ra bởi việc nối kết nhiều dạng bề mặt
thành các đối tượng được định nghĩa bởi người dùng.
1. 3. 1. Trình tự xây dựng mô hình bề mặt
Để đảm bảo chất lượng cũng như tốc độ tạo dựng mô hình tránh các sai sót
và cũng tránh phải thực hiện các công việc vô ích. Sau khi nhận được nhiệm vụ
thiết kế chúng ta phải tiến hành thực hiện theo các bước sau:
• Phân tích kết cấu của bản thiết kế, xác định các bề mặt cần được tạo dựng
cũng như các thông số và yêu cầu chất lượng của các bề mặt đó ;


• Lựa chọn kiểu bề mặt, các lệnh của phần mềm CAD và các tùy chọn của
nó dùng để tạo dựng các bề mặt cần thiết kế;
• Phân lớp bản vẽ;

• Dựng khung bản vẽ, các hệ quy chiếu và các đường cơ sở;
• Tiến hành tạo dựng các mặt cơ sở;
• Tiến hành hiệu chỉnh, sửa đổi nếu cần thiết;
• Kiểm tra chất lượng của từng bề mặt và kiểm tra tổng thể bản thiết kế.
1. 3. 2. Sử dụng kĩ thuật phân lớp trong việc xây dựng mô hình
Lớp vẽ là tập hợp các đối tượng vẽ của một bản vẽ có cùng một thuộc tính.
Việc phân lớp là một kĩ thuật hết sức độc đáo của các phần mềm CAD. Một bản
vẽ phức tạp thường được phân thành nhiều lớp riêng biệt chứa các phần đơn giản
của bản vẽ và như vậy việc vẽ trong mỗi lớp được thực hiện hết sức đơn giản. Sau
khi đã có tất cả các lớp vẽ chỉ cần xếp chồng khít chúng lên nhau ta sẽ nhận được
bản vẽ yêu cầu, và như vậy công việc vẽ sẽ trở nên hết sức đơn giản. Ngoài ra lớp
vẽ cũng còn tạo điều kiện cho chúng ta dễ dàng hiệu chỉnh, in ấn.
Khi bắt tay vào xây dựng một bản vẽ phức tạp chúng ta phải tiến hành phân
lớp các đối tượng vẽ của bản vẽ. Một bản vẽ có rất nhiều cách phân lớp khác nhau,
nó tùy thuộc vào kinh nghiệm cũng như thói quen của người vẽ. Tuy nhiên để sử
dụng được hiệu quả các lớp việc phân lớp phải đựa trên các nguyên tắc sau:
- Đơn giản hóa : có nghĩa là các nét vẽ trên mỗi lớp phải không quá chồng
chéo, đảm bảo có thể vẽ chúng ra dễ dàng.
- Tính đặc trưng : mỗi nét vẽ phải đặc trưng cho một phần nhất định của
bản vẽ, không nên chia bản vẽ ra quá nhiều lớp.
- Tính thống nhất và chính xác : các lớp được phân ra sao cho khi vẽ riêng
từng lớp vẫn đảm bảo được vị trí tương đối của nó trong bản vẽ tổng thể.
Đối với các mô hình với các bề mặt phức tạp chúng ta cần phải tạo ra ít nhất các
lớp sau :
• Một lớp tham chiếu để định vị các bề mặt ;
• Mỗi bề mặt nên đặt trên một lớp riêng rẽ ;
• Các đường thẳng, cong dùng để định nghĩa bề mặt (các đường cơ sở)
cũng nên được vẽ trên một lớp riêng
Thông thường khi làm việc với các lớp vẽ chúng ta phải thực hiện các thao tác sau:
• Tạo ra một lớp vẽ mới ;

• Gán, thay đổi thuộc tính của lớp vẽ ;
• Đưa một lớp vẽ trở thành hiện thời ;
• Đổi tên lớp vẽ ;
• Chuyển các đối tượng vẽ từ lớp này sang lớp vẽ kia.
1. 3. 3. Các bề mặt thường gặp trong các phần mềm CAD


Sức mạnh của các phần mềm CAD là số lượng bề mặt mà nó có thể cung cấp.
Một số phần mềm tích hợp như Cimatron,Parametric cung cấp cho chúng ta một số
lượng các bề dưới đây cho chúng tôi sẽ giới thiệu một cách tổng quan các loại bề
mặt mà các phần mềm này cung cấp cũng như phương thức tạo ra chúng :
1. 3. 3. 1. Bề mặt kẻ (RULED SURAFACE)
Đây là loại bề mặt được tạo ra bởi việc cuộn một đường thẳng một cách
trơn tru dọc theo hai đường cong Section tương đối với các điểm nối. Kết quả là
bề mặt nhận được có các đường Cross-Section là đường thẳng. Hướng U sẽ dọc
theo Section, hướng V sẽ dọc theo Cross - Section (là các đường thẳng)
Hình dạng của các đường Section sẽ thay đổi một cách tuyến tính từ đường
biên thứ nhất sang đường biên thứ hai, khi đường cơ sở thứ hai biến thành một
điểm ta có mặt nón. mặt trụ, mặt nón cụt cũng là những trường hợp riêng của mặt
kẻ.
Để tạo ra được bề mặt này ta phải đựng được hai đường cơ sở ( Section )
sau đó dùng lệnh RULED và chỉ ra 2 đường cơ sở này (hình1. 1)

Hình1. 1:Các phương thức xây dựng bề mặt kẻ
a. bề mặt tạo ra từ hai đương con ; b. bề mặt tạo ra bằng cách chiếu đường
cong xuống mặt khác
Trong Cimatron ta còn có thể dựng được một mặt kẻ nằm giữa một đường cơ
sở và một mặt cong bằng cách định nghĩa đường cơ sở, hướng chiếu xuống mặt
cong, hoặc đường cơ sở và hướng mà các đường sinh hợp với mặt cong, đó là
những tình huống thường xảy ra khi tạo dựng các bề mặt có quan hệ tương đối với

nhau
Tùy chọn TRIM ON/OFF cho phép chúng ta có thể xén bỏ hoặc không các
phần thừa ra của bề mặt, làm tăng tốc độ tạo dựng mô hình.
1. 3. 3. 2. Các bề mặt tròn xoay (REVOLUTE SURAFACE)
Đây là các bề mặt được tạo bởi việc xoay một đường cong (hoặc một đường
chu tuyến) đi một góc nhất định quanh trục xoay. Các đường cong này là các
Section (hướng V )của bề mặt còn Cross- Section ( hướng U) là các cung tròn có
tâm nằm trên trục quay.
Để tạo ra bề mặt này ta chỉ cần sử dụng lệnh ( REVSURF Trong Autocad
Hoặc REVOL TrongCIMATRON ) sau đó chỉ ra đường cơ sở trục quay và góc
quay:


1. 3. 3. 3. Các bề mặt cuộn ( DRIVE-SURFACES)
Đây là các bề mặt được tạo ra bởi việc dịch trượt một đường cong (hoặc chu
tuyến )dọc theo một đường cong khác hoặc dọc theo hướng được quy định bởi
đường cong khác
Hướng U của bề mặt là hướng dọc theo đường cong trượt ( Section )và hướng
V của bề mặt là hướng của các đường định hướng (Cross-section)
Trong AUTOCAD mặt này được tạo ra bởi lệnh EDGSURF sau đó ta phải chỉ
ra 4 đường biên
Trong CIMATRON cũng như các phần mềm tích hợp khác, do yêu cầu thực tế
thiết kế người ta phân bề mặt này ra nhiều trường hợp cụ thể hơn nữa. Các tùy
chọn của nó có thể phân ra làm hai nhóm theo định nghĩa toán học của các bề mặt
được tạo ra :
• Sử dụng tùy chọn PARALLEL SEC ( các đường section song song với nhau
)ta sẽ nhận được DRIVE SURFACE.
• Nếu sử dụng ccas tùy chọn khác ta sẽ nhận được các bề mặt kiểu BEZIER
( xem giải thích ở phần sau).
Dưới đây là một số phương pháp khác nhau để dựng các mặt Cuộn trong

CIMATRON:

Hình 1. 3: Các phương thức xây dựng mặt cuộn
1. 3. 3. 4. Các bề mặt kiểu BEZIER
Các bề mặt BEZIER và GREGORY cho phép mô tả những kết cấu hết sức
phức tạp trong các ngành công nghiệp ô tô và công nghiệp hàng không. Các bề
mặt này có rất nhiều ưu điểm, đặc biệt là chúng dễ dàng hiệu chỉnh và dễ dàng


thực hiện các thay đổi cục bộ. Rất nhiều lệnh tạo dựng và hiệu chỉnh trong
Cimatrpon có thể tạo ra những bề mặt này
Mặt BEZIER bao gồm một chuỗi các mảnh nối với nhau mỗi mảnh được định
nghĩa bằng 16 điểm điều khiển. Hình dạng của các mảnh phụ thuộc vào vị trí của
các điểm này. 12 điểm định nghĩa 4 cạnh biên của mảnh, trong đó chỉ có 4 điểm
nằm ở góc là nằm trên bề mặt còn các điểm khác không nằm trên bề mặt mà chỉ
gây ảnh hưởng đến hình dạng của các mảnh.
Trong bề mặt BEZIER sự nối kết các mảnh không nhất thiết phải trơn tru và
nó có thể có các góc nhọn bên trong bề mặt
Điều kiện trơn tru của hai mảnh kề nhau là 3 điểm điều khiển sau đây thẳng
hàng một điểm bên trong, một điểm nằm trên cạnh biên và điểm thứ ba nằm bên
trong mảnh kế cạnh cả ba điểm phải nằm trên cùng một hướng đường thông số
Kết cấu các mảnh được định nghĩa bằng các điểm điều khiển cho phép
chúng ta dễ dàng thực hiện các thay đổi cục bộ trên bề mặt
Cấu trúc của các mảnh và tất nhiên cả bề mặt có thể thay đổi bằng việc sử
dụng lệnh MODIFY như sau:
Dời chuyển các điểm điều khiển(ngoại trừ 4 điểm nằm trên các góc) bằng
lệnh MODIFY POINTS
Định nghĩa lại độ dốc ở các đường bao của bề mặt ( MODIFY SLOPES).
Các độ dốc này có thể định nghĩa như sau:
- Độ dốc dọc theo một đường biên là hằng số ( CONSTANT)

- Độ dốc dọc theo một đường biên sẽ thay đổi tuyến tính từ đầu này sang
đầu kia (LINEAR).
- Độ dốc dọc theo một đường biên chỉ định của một bề mặt là các tiếp
tuyến với độ dốc của một cạnh của bề mặt thứ hai(SURRFACE).
- Độ dốc tại mỗi điểm nút ( điểm nằm trên góc của các mảnh )dọc theo
đường biên của bề mặt được xác định ( GENERAL )
Tất cả các dạng bề mặt khác nhau đều có thể chuyển thành mặt BEZIER bằng lệnh
MODIFY/ APPROX. TO BEZIER (trong CIMATRON). Bằng lệnh này với việc
sử dụng hợp lý giá trị của độ chính xác chuyển đổi ta có thể giảm bớt được mức
gợn sóng của bề mặt nguyên thủy.
1. 3. 3. 5. Bề mặt GREGORY
Bề mặt GREGORY là sự mở rộng nâng của bề mặt BEZIER, nó có tất các
đặc tính của mặt BEZIER tuy nhiên khác với bề mặt BEZIER nó luôn luôn trơn
tru. Mỗi một mảnh của bề mặt được định nghĩa bởi 20 điểm điều khiển, 12 điểm
định nghĩa 4 cạnh và 8 điểm bên trong. Hình dạng của các mảnh phụ thuộc hoàn
toàn vào các điểm điều khiển. 4 điểm điều khiển bên trong sẽ đảm bảo được sự
trơn tru giữa các mảnh.


Bằng việc sử dụng MODIFY/SMOOTH, ta có thể chuyển một bề mặt không
trơn tru thành bề mặt GREGORY trơn tru, tuy nhiên điều này sẽ không thực hiện
được nếu bề mặt nguyên thủy có điểm bất thường hoặc sự chuyển đổi sẽ tạo ra một
thay đổi rõ nét của bề mặt nguyên thủy
Trong CIMATRON,các lệnh tạo bề mặt khác nhau như DRIVE,
BLEND,RULED,và COMSRF nếu như bề mặt tạo ra không trơn tru nó sẽ tự động
được chuyển sang mặt GREGORY.
1. 3. 3. 6. Bề mặt pha trộn (BLEND SURFACE )
Đây là một bề mặt được tạo ra bởi một chuỗi liên tiếp các đường cong, và (hoặc)
các điểm và (hoặc) các đường bao của bề mặt. Kết quả nhận được là một mặt
BEZIER, các bề mặt này liên tục và có thể trơn tru. Khi chọn các đường biên của

bề mặt, một đường cong ngầm định sẽ được tạo ra và sẽ được xóa đi ngay sau khi
bề mặt BLEND được tạo ra (hình 1-4)

Hình1-4. Tạo mặt blend nối hai mặt cơ sở và khép kín góc
a. Mặt blend nối 2 mặt cơ sở;
b. Mặt blend ở góc
1. 3. 3. 7. Mặt lưới –MESH SURFACE
Đây là một bề mặt được định nghĩa bởi một chuỗi các đường Section và Crosssection. Bề mặt tạo ra là một lưới các mảnh nhỏ, đi qua một cách trơn tru một
chuỗi các đường Section (hướng U)và các đường Cross-Section (hướng V ). Mỗi
một cặp các đường Section và các đường Cross-Section kề nhau sẽ tạo ra một
mảnh bề mặt và sự tiếp nối giữa hai mảnh kề nhau là liên tục và trơn tru
Bên trong các mảnh, hình dạng của bề mặt được định nghĩa bởi một hàm số tùy
thuộc vào hình dạng của các đường cong tạo ra mảnh đó và khoảng cách từ điểm
đang xét tới các đường biên của mảnh
Trong CIMATRON để tạo ra bề mặt lưới ta dùng lệnh MESH sau đó chỉ ra hai
nhóm đường cong cắt nhau: bộ các đường cong được chọn đầu tiên sẽ tạo nên các
đường Section, còn nhóm đường cong chọn thứ hai sẽ tạo ra các đường CrossSection
Thuật toán tạo ra mặt lưới cho phép chúng ta tạo ra những bề mặt có hình
dạng tương đối phức tạp và ít có quy luật (hình 1-5)


Hình 1-5: Các phương thức tạo mặt lưới
a. tạo mặt lưới từ 4 cạnh biên: b. tạo mặt lưới từ nhiều mặt cắt ngang
1. 3. 3. 8. Bề mặt NURB SURFACE
Đây là bề mặt có cấu trúc phức tạp, đươc tạo ra từ một ma trận các điểm nằm
trên hướng Section và Cross section. Các điểm này có vai trò như những điểm
điều khiển để tạo nên các đường section và Cross-section
Bề mặt NURB(Non – Uniform Rational B-Spline) cho phép chúng ta định nghĩa
mức độ ảnh hưởng tương đối cho mỗi điểm điều khiển khi bề mặt được tạo ra và ta
cũng có thể cập nhật nó sau này khi cần hiệu chỉnh.

Các đường Section và Cross – Section được định nghĩa bởi các điểm điều khiển
là những đường cong dạng NURB (Non – Uniform Rational B-Spline). Bậc ngoại
suy của các đường cong này này cũng có thể thay đổi.
Ưu điểm nổi bật của các mặt cong này là dễ dàng thay đổi hình dạng của bề
mặt kể cả các thay đổi cục bộ nhờ việc thay đổi vị trí cũng như mức độ ảnh hưởng
của các điểm điều khiển (dùng lệnh MODIFY/POINTS)
Để tạo ra được các bề mặt này dùng lệnh NURB sau đó chỉ ra các điểm điều
khiển với lưu ý rằng : Số lượng các điểm điều khiển trên mọi phía phải lớn hơn số
bậc của đa thức ngoại suy.
1. 3. 4 Các nguyên tắc chung khi chọn lựa các bề mặt
Thông thường các phần mềm CAD cung cấp cho chúng ta một số lượng lớn
các loại bề mặt khác nhau, chính vì vậy trong bước chuẩn bị, trước khi bắt tay vào
vẽ chúng ta phải tự đặt ra các câu hỏi:
• Loại bề mặt nào sẽ được dùng để xây dựng mô hình ?
• Lệnh nào và tùy chọn nào sẽ sử dụng ?
Ở đây không chỉ có một câu trả lời duy nhất cho các câu hỏi này, việc lựa chọn này
hoàn toàn tùy thuộc và thói quen cũng như kinh nghiệm của người thiết kế. Tuy
nhiên tồn tại một số nguyên tắc cơ bản sau định hướng cho việc lựa chọn :
• Tùy thuộc vào các thông số mà bạn có, bạn hãy xác định lệnh nào và tùy
chọn nào sẽ phù hợp với vấn đề mà bạn cần giải quyết.
• Sau khi chọn sơ bộ (ở bước trên), bạn hãy nghiên cứu tính chất của mỗi bề
mặt và xác định xem bề mặt nào là thích hợp nhất và hãy tạo ra bề mặt nào
là thích hợp nhất và hãy tạo ra bề mặt đó


• Kiểm tra xem liệu có cần phải thực hiện các thao tác bổ trợ với lệnh cắt
xén ?
• Nếu tồn tại nhiều giải pháp cho vấn đề đặt ra, bạn hãy xem xét các giải
pháp có thể khác, so sánh chúng trên màn hình trước khi quyết định cuối
cùng.

• Nếu bạn tìm ra cùng một lúc nhiều giải pháp cho kết quả tốt và không giải
pháp nào tỏ ra trội hơn, hãy dùng giải pháp đơn giản nhất.
1. 4. MÔ HÌNH THỂ ĐẶC SOLID
Mô hình thể đặc thường dùng để định nghĩa mô hình hình học một cách rõ
ràng về thể tích. Nó cung cấp phương pháp cơ bản để mô tả các chi tiết cơ khí
trong máy tính. Khác với mô hình khung dây và mô hình bề mặt, mô hình thể đặc
cung cấp một sự chính xác cần thiết cho các thiết kế cơ khí chính xác. Nó có một
khả năng tiềm tàng để tạo ra cơ sở dữ liệu mà nó cung cấp một mô tả hoàn chỉnh
chi tiết.
Mô hình thể đặc được xây dựng bằng hai cách: với các khối cơ sở và bằng
việc định nghĩa các đương biên. Cả hai phương pháp này đều phát triển mô hình
phức tạp từ một chuỗi liên tiếp các phối hợp các thao tác vẽ đơn giản.
Tiến trình xây dựng mô hình bằng các khối cơ sở cho phép các hình cơ sở như
các khối và các trụ được phối hợp lại với nhau như kiểu các công trình kiến trúc.
Người thiết kế định vị các khối cơ sở ở vị trí cần thiết và sau đó tạo ra những dạng
mới với các lệnh lôgic tương ứng (hướng 1-6)

Hình1-6:Các phép toán lôgic cơ bản dùng trong các mô hình solid
Theo tiến trình xây dựng mô hình cách định nghĩa đường biên, các bề mặt hai
chiều được kéo dài theo phương thứ 3 để tạo ra một khối không gian.
Sự kéo dài tuyến tính sẽ dịch chuyển bề mặt theo một đường thẳng để tạo ra
khối không gian. Sự kéo dãn bằng phương pháp xoay tạo ra một khối đối xứng
quanh một trục và phương thức kéo dãn phức hợp sẽ dịch chuyển bề mặt theo một
đường cong xác định sẽ tạo ra được những khối solid phức tạp hơn. Việc sử dụng


phương pháp thiết kế nào sẽ tùy thuộc vào những hình dạng cụ thể của sản phẩm:
nhiều sản phẩm công nghiệp có bề mặt dạng phẳng, hình trụ và các dạng đơn giản
khác có thể xây dựng bằng mô hình khối cơ sở, còn những chi tiết có hình bao
phức tạp thích hợp hơn với mô hình sử dụng việc định nghĩa đường biên:

Hình1-7:Một số phương pháp tạo solid trừu đường bao
a. Phương pháp xoay ;b. Phương pháp kéo dãn

Hình1-8 :Dựng khối solid bằng cách trượt một đường cong dọc theo hướng
quỹ đạo
Với mô hình được xây dựng trong solid sau khi gán cho nó các thuộc tính của
vật liệu như mô đun đàn hồi, khối lượng riêng,. . . . ta có thể nhận được các thuộc
tính quan trọng phục vụ cho thiết kế như khối lượng,mômen quán tính. . . và sử
dụng cho các công việc phân tích khác nhau như: tính bền, tính nhiệt.

II. TRỢ GIÚP CỦA MÁY TÍNH TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ
TRÌNH GIA CÔNG
3. 1. VIỆC GIA CÔNG BẰNG MÁY ĐIỀU KHIỂN SỐ
Để nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường, các nền công nghiệp chế tạo
liên tục phát triển bằng sự nâng cấp và tự động hóa quá trình sản xuất. Cuộc cách
mạng trong lĩnh vực gia công bắt đầu từ sau thế chiến thứ hai, vào năm 1952 khi
viện công nghệ Massachusetts lần đầu tiên giới thiệu một máy với bộ điều khiển số
trong dự án được tài trợ bởi không lực Hoa Kỳ mà nó được biết đến như là máy
NC. Ý tưởng được dựa trên cơ sở một máy đọc được mã số hóa. Các ưu điểm của
máy NC là khả năng lưu trữ một chuỗi phức tạp các thao tác máy và tìm lại chúng
để sử dụng.
Sau hơn bốn thập kỉ phát triển, ngày nay máy điều khiển số đã trở thành một
nhân tố không thể thiếu được trong bất kì một ngành công nghiệp chế tạo nào. Mặc


dù máy NC có giá cao hơn máy gia công thông thường có cùng kích cỡ từ 1,5 đến
5 lần thêm vào đó sự bảo trì chúng yêu cầu tới những người được đào tạo và có kĩ
năng cao và yêu cầu phải có các nhà lập trình cho máy NC, nhưng máy NC có
hàng loạt các ưu điểm sau :

• Thời gian chạy không của máy nhỏ ;
• Những mệt mỏi của người điều khiển hầu như không tồn tại, từ đó ngăn
ngừa được các sai lầm có thể phát sinh của người điều khiển ;
• Tất cả các quy trình gia công được suy xét kĩ lưỡng trước khi công việc
bắt đầu ;
• Tuổi thọ của dao dùng trên máy NC thường là lớn hơn bởi vì tốc độ và
chiều sâu cắt được duy trì không đổi một cách liên tục ;
• Mặt bằng cần thiết cho máy NC nhỏ hơn: một máy NC có thể thay thế
cho nhiều máy gia công thông thường, bởi vì nhiều nguyên công phức hợp
khác nhau có thể thực hiện trên máy NC.
Việc sử dụng máy NC có hiệu quả thực sự cao đối với những dây chuyền có
khối lượng sản phẩm lớn vì thực chất chi phí chỉ tập trung nhiều vào sản phẩm đầu
tiên còn chi phí cho các sản phẩm tiếp theo sẽ giảm đi nhiều.
Việc nghiên cứu trên các xí nghiệp dùng máy NC chỉ ra rằng :
• Thời gian cần phải sản xuất một chi tiết trên máyNC chỉ bằng 40% thời
gian yêu cầu khi gia công tên máy thường
• Giảm được 20-25% khối lượng vật liệu;
• Giảm được 30-40%thời gian giám sát và kiểm tra chất lượng sản phẩm.
Trường tổng hợp Michigan chịu trách nhiệm nghiên cứu và đào tạo cho
356 công ty có sử dụng 4648 máy NC [1], điều đó đã chỉ ra sản lượng và mức độ
tiết kiệm mà máy NC mang lại so với máy gia công thông thường.
3. 2. ỨNG DỤNG CỦA CÁC HỆ CAD – CAM TRONG QUÁ TRÌNH GIA
CÔNG
Khi gia công bằng máy CNC, chuyển động của dụng cụ cắt được chi phối bằng
bộ điều khiển số ở mỗi thời điểm ta cần có thông tin về tọa độ của bề mặt gia công,
do đó đã xuất hiện các phần mềm dùng để tạo ra các thông tin trên bề mặt đã được
thiết kế dùng cho việc gia công. Các phần mềm thiết kế và điều khiển các quá
trình gia công này tạo nên một hệ thống mà ta thường gọi là CAD-CAM.
Việc sử dụng các hệ thống CAD –CAM đã làm thay đổi một cách căn bản quy
trình thiết kế - gia công.

Trong quá khứ, khi hoàn thành một bản thiết kế chi tiết cơ khí, bản vẽ tương
ứng sẽ được đưa cho kĩ sư công nghệ, người kĩ sư này sẽ đưa ra bản quy trình công


nghệ gia công chi tiết cho tới bước cuối cùng. Các thông tin nhất định trên bản vẽ
thiết kế tạo nên một cơ sở dữ liệu.
Với việc sử dụng các hệ CAD-CAM, trong khi thiết kế hệ thống CAD sẽ
cung cấp một công cụ để thiết kế mô hình hình học, phân tích và tối ưa hóa nó.
Cũng giống như quá trình thiết kế hệ thống CAM sẽ trợ giúp người kĩ sư trong các
phương diện khác nhau của quá trình gia công. Các ưu điểm của công nghệ này là:
CAD cung cấp một cơ sở dữ liệu của chi tiết được sản xuất, bỏ qua được bản
vẽ thiết kế và chuyển giao dữ liệu bằng tay.
Người kĩ sư công nghệ có thể thử trực tiếp bằng đồ họa quá trình gia công
bằng việc mô phỏng chúng trên màn hình và hiệu chỉnh nó một cách trực quan để
nhận được quá trình gia công tối ưu.
Trong các hệ CAD-CAM, với máy tính và đồ họa máy tính chúng ta có thể
thực hiện từ bước thiết kế đầu tiên cho tới bước cuối cùng trên cùng một hệ thống
tích hợp. Việc nối kết của việc thiết kế và gia công được thực hiện thông qua việc
tiếp cận tới một cơ sở dữ liệu dùng chung như sơ đồ mô tả dưới đây (hình 1-12).

Hình 1-12:Sự liên kết giữa quá trình thiết kế và gia công với trợ giúp
của máy tính.
Nhờ có sự nối kết này mà những thay đổi của bản thiết kế nhanh chóng được
cập nhật vào trong cơ sở dự liệu và truyền tới quá trình gia công và ngược lại
người thiết kế cũng dễ dàng nhận được các thông tin phản hồi từ quá trình gia
công.

III. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ CAD – CAM CIMATRON
Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng trong lĩnh vực thiết kế và gia công. Nhiều
công ty phát triển phần mềm và các viện nghiên cứu trên thế giới đã đưa ra hàng

loạt các phần mềm trợ giúp trong lĩnh vực này và không ngừng phát triển chúng để
tăng cường thêm các chức năng cho chúng cũng như làm cho việc sử dụng chúng
trở nên thuận tiện hơn.
Các hệ thống phần mềm trợ giúp việc thiết kế và gia công được phát triển theo
hai hướng chính:
• Các phần mềm thuộc nhóm “Best in Class”


• Các phần mềm tích hợp “Integrated System”
4. 1. CÁC PHẦN MỀM “BEST IN CLASS”
Các phần mềm thuộc nhóm này thường thực hiện một chức năng trợ giúp cụ thể
ví dụ như: Thiết kế các mô hình hình học,phân tích các phần tử hữu hạn. Tính toán
động học và động lực học cơ cấu. Các phần mềm này có hàng loạt các ưu điểm
sau:
• Giá thành rẻ hơn nhiều so với các hệ tích hợp;
• Việc khai thác các tính năng của chúng tương đối đơn giản;
• Không đòi hỏi cấu hình của máy tính cao.
Chính vì những lý do này chúng được đưa vào sử dụng khá rộng rãi. Tuy nhiên,các
phần mềm loại này cũng có một số các hạn chế sau:
• Do mỗi phần mềm chỉ thực hiện được một chức năng trợ giúp, nên để thực
hiện hoàn toàn bộ quy trình từ thiết kế đến chết tạo một sản phẩm ta phải sử
dụng nhiều phần mềm khác nhau và yêu cầu các phần mềm này phải có tính
tương thích cao để có thể trao đổi dữ liệu một cách dễ dàng;
• Do không dùng chung một cơ sở dữ liệu nên các việc cập nhật các thay đổi
của một khâu bất kì trong quá trình tạo ra sản phẩm tương đối khó khăn.
Các hạn chế này của hệ phần mềm “Best in Class” sẽ được giải quyết bằng các
hệ thống tích hợp.
4. 2. CÁC PHẦN MỀM TÍCH HỢP
Các phần mềm tích hợp được hình thành bởi việc liên kết nhiều mô đul khác
nhau trong một hệ thống thống nhất. Mỗi mô đul thực hiện một công đoạn của quá

trình thiết kế - chế tạo.
Trong những năm gần đây các hệ thống tích hượp được nhiều nhà thiết kế- chế
tạo hàng đầu trên thế giới quan tâm và đưa vào sử dụng nhờ các lí do sau:
• Các hệ thống tích hợp dùng chung một cơ sở dự liệu tạo điều kiện cho việc
nhanh chóng cập nhật các thay đổi.
• Một trong những ưu điểm nổi bật của các hệ thống tích hợp là khả năng kiểm
tra độ tương thích của các chi tiết thiết kế trong một khối lắp ráp tổng thể và
thực hiện các hiệu chỉnh nếu cần thiết.
Ở Việt Nam, trong những năm gần đây các phần mềm trợ giúp trong thiết kế - chế
tạo đã được biết đến và đưa vào áp dụng ở các mức dộ khác nhau. tuy nhiên các
phần mềm này chủ yếu thuộc nhóm “Best in Class” với các tính năng tương đối
hạn chế, ví dụ như:
• Trong lĩnh vực thiết kế hình học Autocad của Autodesk đã được đưa vào
sử dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như chế tạo máy, Xây
dựng,Kiến trúc. . . Tuy nhiên Autocad chỉ hạn chế ở mức độ đưa ra các bản


vẽ phẳng và in ấn chúng, còn khả năng xây dựng mô hình không gian của nó
còn rất nhiều hạn chế.
• Trong lĩnh vực phân tích các phần tử hữu hạn,các phần mềm khác nhau
như SAP,ANSYS,NASTRAN. . . cũng được nhiều người biết tới.
• Phần mềm ALASKA của Đức được đưa vào sử dụng khá rộng rãi ở các
viện nghiên cứu và trường đại học trong cả nước, đặc biệt trong lĩnh vực
phân tích động học và động lực học của cơ hệ nhiều vật.
Các hệ tích hượp mặc dù có những tính năng hết sức mạnh mẽ nhưng vẫn còn hết
sức mới mẻ đối với chúng ta. Trong số các hệ thống tích hợp khác nhau trên thế
giới CIMATRON được biết đến như là một trong những hệ thống thành công nhất:
CIMATRON là hệ thống tích hợp đặc sắc nhất được dùng trong lĩnh vực thiết kế
và gia công cơ khí do nhóm chuyên gia của Nhật và Israel hợp tác xây dựng từ
năm 1990. Nó nối kết CAD-CAM thành một hệ thống hoàn chỉnh, ngoài ra

CIMATRON còn cho phép chúng ta tạo ra mô hình các phần tử hữu hạn từ mô
hình hình học dựng được trong CAD dùng trong việc tính toán trạng thái vật lí của
chi tiết, ví dụ như:tính nhiệt (tính toán trong quá trình truyền nhiệt,ứng suất nhiệt),
tính bền. .
Toàn bộ hệ thống Cimatron bao gồm 4 mô đun:
• CIMATRON – MODELING
• CIMATRON – DRAFTING
• CIMATRON – FEM
• CIMATRON – NC
Tạo ra một chu kì tích hợp khép kín trợ giúp chúng ta trong các bước khác nhau
của quá trình Thiết kế - Gia công.