Ứng dụng phần mềm catia trong thiết kế và lập trình gia công trục vít có bước thay đổi trên máy tiện CNC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------------TRẦN CÔNG CHI

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA TRONG THIẾT KẾ
VÀ LẬP TRÌNH GIA CÔNG TRỤC VÍT CÓ BƯỚC THAY ĐỔI
TRÊN MÁY TIỆN CNC

Chuyên ngành : CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS NGUYỄN VIẾT TIẾP

Hà Nội – 2011


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT

Ký hiệu

Ý nghĩa

1

APT

Auto matically Programed Tool

2

CAD

Computer Aided Drawing, Computed Aided Design

3

CAE

Computer-Aided Engineering

4

CAM

Computer aided manufacturing

5

CATIA

6

CNC

Computer Numerical Control

7

FEA

Finite Element Application

8

STL

Standard Template Library

9

D

Đường kính trục vít

10

L

Chiều dài trục vít

11

H

Chiều sâu rãnh vít

12

t

Bước rãnh vít

13

Q

Khối lượng chi tiết

14

ρ

Khối lượng riêng chi tiết

15

V

Thể tích của chi tiết

Computer Aided Three Dimensional Interactive Application

3


MỤC LỤC
Trang

Trang phụ bìa
Lời cam đoan............................................................................................................ 1
Lời cám ơn................................................................................................................ 2
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ................................................................... 3
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ................................................................................... 4
Mở đầu ....................................................................................................................... 7
Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................ 11
1.1. Tổng quan chung về công nghệ CAD/CAM .............................................11
1.2. Lịch sử phát triển của CAD/CAM .............................................................18
1.3. Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ CAD/CAM ở Việt Nam...................20
Chương 2. THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRỤC VÍT CÓ BƯỚC THAY ĐỔI ............. 25
2.1. Đặc điểm cấu tạo một số thành phần chính máy đùn nhựa ............................. 25
2.1.1. Thân máy đùn .........................................................................................26
2.1.2. Bộ phận cấp liệu .....................................................................................27
2.1.3. Gia nhiệt và làm lạnh ..............................................................................28
2.1.4. Đầu tạo hình ............................................................................................28
2.15. Động cơ điện ............................................................................................29
2.1.6. Một vài dây chuyền sản xuất có sử dụng máy đùn .................................29
2.1.7. Hoạt động của trục vít trong thiết bị đùn ................................................31
2.2. Đặc điểm cấu tạo một số thành phần chính của máy đúc phun ...................... 35
2.2.1. Máy đúc phun loại pittong ......................................................................36
2.2.2. Máy đúc phun loại trục vít ......................................................................36
2.3. Đặc điểm cấu tạo của trục vít có bước thay đổi .............................................. 43
Chương 3. CÔNG NGHỆ GIA CÔNG TRỤC VÍT CÓ BƯỚC THAY ĐỔI .... 47
3.1. Phân tích chi tiết và xác định sản lượng .......................................................... 47
3.1.1. Chức năng và nhiệm vụ ..........................................................................47
3.1.2. Yêu cầu kỹ thuật của chi tiết...................................................................48


3.1.3. Xác định dạng sản xuất ...........................................................................50

3.2. Xác định phương pháp chế tạo phôi ................................................................ 50
3.2.1. Cơ sở lựa chọn phương pháp chế tạo phôi .............................................50
3.2.2. Phương pháp chế tạo phôi.......................................................................51
3.3. Quy trình công nghệ gia công chi tiết ............................................................ 52
3.3.1. Phân tích chuẩn định vị khi gia công ......................................................52
3.3.2. Trình tự các nguyên công .......................................................................55
3.4. Thiết kế nguyên công ...................................................................................... 55
3.4.1. Nguyên công I. Khỏa mặt đầu và khoan hai lỗ tâm................................55
3.4.2. Nguyên công II. Tiện thô, tiện bán tinh và tiện tinh Ф32, Ф38 .............56
3.4.3. Nguyên công III. Tiện thô, tiện bán tinh và tiện tinh Ф50 .....................57
3.4.4. Nguyên công IV. Phay then hoa .............................................................57
3.4.5. Nguyên công V. Phay rãnh vít trên máy CNC .......................................58
3.4.6. Nguyên công VI. Nhiệt luyện, mài .........................................................59
3.4.7. Nguyên công VII. Khoan, tiện lỗ, tiện ren . ...........................................60
Chương 4. ỨNG DỤNG MỀM CATIA TRONG THIẾT KẾ VÀ GIA
CÔNG TRỤC VÍT .................................................................................................. 62
4.1. Lịch sử phát triển của phần mềm CATIA ....................................................... 62
4.2. Cấu trúc phần mềm.......................................................................................... 63
4.2.1. Một số module chính sử dụng trong thiết kế (CAD) ..............................64
4.2.2. Module phân tích phần tử hữu hạn (Analysis & Simulation) .................65
4.2.3. Một số module chính sử dụng trong lập trình gia công (CAM) .............66
4.3. Một số thao tác cơ bản trong module lập trình gia công ................................. 67
4.3.1. Các thiết lập ban đầu...............................................................................67
4.3.2. Chu trình gia công tiện thô .....................................................................68
4.3.3. Chu trình gia công dạng xoắn vít ............................................................72
4.3.4. Mô phỏng quá trình gia công ..................................................................73
4.3.5. Xuất chương trình gia công sang mã NC ...............................................75
2.5. Thiết kế trục vít có bước thay đổi ................................................................... 76

2.6. Lập trình mô phỏng gia công trục vít có bước thay đổi ................................ 856
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 91
1. Kết luận ............................................................................................................. 91
2. Kiến nghị ........................................................................................................... 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 92


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những kết quả
nghiên cứu trong luận văn này đảm bảo tính chính xác, trung thực và chưa có tác
giả nào công bố; những nội dung tham khảo, trích dẫn trong luận văn đều đã được
chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả luận văn

Trần Công Chi

1


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn Thạc sỹ, tôi đã nhận được sự quan tâm,
giúp đỡ của nhiều tập thể và cá nhân. Nhân dịp hoàn thành luận văn, tôi xin bày tỏ
lòng biết ơn sâu sắc nhất.
Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Viết Tiếp đã trực tiếp tận tình
hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp của mình;
Trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; Các
thầy cô, công nhân viên chức viện Sau đại học, Viện Cơ khí đã tận tình giúp đỡ, tạo
điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành nhiệm vụ;
Chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Lâm Nghiệp, Khoa Chế
Biến Lâm sản, nơi tôi công tác đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho

tôi trong quá trình theo học và hoàn thành luận văn tốt nghiệp;
Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình cùng bạn bè,
đồng nghiệp đã thường xuyên quan tâm, động viên, tạo mọi điều kiện tốt nhất về
tinh thần cũng như vật chất cho tôi trong suốt thời gian vừa qua.
Do thời gian thực hiện có hạn và kiến thức bản thân còn nhiều hạn chế, cho
nên luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự chỉ
bảo, góp y và phê bình của các Thầy, Cô và bạn bè.
Xin trân trọng cảm ơn!

2


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT

Ký hiệu

Ý nghĩa

1

APT

Auto matically Programed Tool

2

CAD

Computer Aided Drawing, Computed Aided Design

3

CAE

Computer-Aided Engineering

4

CAM

Computer aided manufacturing

5

CATIA

6

CNC

Computer Numerical Control

7

FEA

Finite Element Application

8

STL

Standard Template Library

9

D

Đường kính trục vít

10

L

Chiều dài trục vít

11

H

Chiều sâu rãnh vít

12

t

Bước rãnh vít

13

Q

Khối lượng chi tiết

14

ρ

Khối lượng riêng chi tiết

15

V

Thể tích của chi tiết

Computer Aided Three Dimensional Interactive Application

3


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
TT

Tên hình

Trang

1.1

Các ứng dụng trong hệ CAM

14

1.2

Mô hình công cụ CAD/CAM

16

1.3

Sơ đồ sản xuất khi áp dụng hệ CAD/CAM

17

1.4

Lịch sử triển của CAD/CAM/CNC

20

2.1

Cấu trúc của máy đùn

25

2.2

Phân loại máy đùn theo số trục vít

26

2.3

Cấu tạo họng cấp liệu

27

2.4

Hình dạng phễu nạp liệu

27

2.5

Gia nhiệt và làm lạnh của máy đùn

28

2.6

Dạng đầu tạo hình sản phẩm ống

29

2.7

Dây chuyền tạo màng, tấm phẳng

30

2.8

Dây chuyền phủ nhựa

30

2.9

Dây chuyền thổi mạng

31

2.10

Dây chuyền đùn định hình

31

2.11

Ma sát của trục vít trong quá trình làm việc

32

2.12

Nóng chảy tiếp giáp trong máy máy đùn trục vít đơn

33

2.13

Nóng chảy phân tán trong máy máy đùn trục vít đơn

34

2.14

Các thành phần chính của máy ép phun

37

2.15

Máy ép phun ngang

38

2.16

Băng gia nhiệt xy-lanh

39

2.17

Dạng đầu phun đóng với van đóng mở bên trong

40

2.18

Các phần cơ bản của khuôn đúc-phun

41

2.19

Một vài dạng cấu trúc của các kênh phân nhánh

42

2.20

Ví dụ mô tả các dạng phân nhánh và phần phế thải của chúng

42

2.21

Cuống phun hình nón

43

2.22

Cấu tạo chung của trục vít có bước thay đổi

43

4


2.23

Một số loại trục vít trong máy đúc phun

45

3.1

Bản vẽ chi tiết trục vít

49

3.2

Sơ đồ định vị gia công trục vít bằng hai lỗ tâm

53

3.3

Sơ đồ định vị gia công trục vít bằng mặt ngoài và lỗ tâm

54

3.4

Sơ đồ định vị gia công trục vít bằng mặt ngoài trục

54

3.5

Sơ đồ định vị nguyên công khỏa mặt, khoan tâm

56

3.6

Sơ đồ định vị khi tiện Ф32, Ф38

57

3.7

Sơ đồ định vị khi tiện Ф50

57

3.8

Sơ đồ định vị phay rãnh then hoa

58

3.9

Sơ đồ định vị gia công rãnh vít

59

3.10

Sơ đồ định vị mài rãnh vít

59

3.11

Sơ đồ định vị gia công lỗ ren

60

3.12

Gia công rãnh vít bằng trung tâm NT4300DCG

60

3.13

Công đoạn mài và kiểm tra sản phẩm

61

4.1

Sơ đồ hệ thống CAD/CAM/CAE trong CATIA

64

4.2

Module thiết mechanical design và shape

64

4.3

Module phân tích phần tử hữu hạn

65

4.4

Module lập trình gia công machining

66

4.5

Hộp thoại thiết lập Part Operation

68

4.6

Hộp thoại lựa chọn các kiểu tiện thô

69

4.7

Hộp thoại lựa chọn bề biên dạng phôi và chi tiết

70

4.8

Hộp thoại lựa chọn thông số thân dao và bàn xe dao

70

4.9

Hộp thoại thiết lập thông số hình học kiểu dao

71

4.10

Hộp thoại thiết lập thông số chế độ gia công

72

4.11

Hộp thoại Machining Parameter Strategy và Geometry Tab

72

4.12

Hộp thoại Tool Tap

73

4.13

Hộp thoại Feeds & Speeds Tab và Macros

73

4.14

Hộp thoại các công cụ mô phỏng quá trình gia công

74

5


4.15

Hộp thoại Generate NC Output Interactively

76

4.16

Thông số trục vít thiết kế

77

4.17

Tạo đường dẫn để sử dụng lệnh Helix

77

4.18

Tạo đường xoắn vít L2 có bước thay đổi

78

4.19

Công cụ Join liên kết 3 đường xoắn vít

78

4.20

Tạo profin của rãnh vít

79

4.21

Tạo biên dạng xoắn vít bằng công cụ Sweep

79

4.22

Tạo bề mặt khối trụ Φ=50mm

80

4.23

Công cụ Split

80

4.24

Tạo mặt giới hạn thoát dụng cụ

81

4.25

Lệnh Split tạo phần thoát dụng cụ

81

4.26

Lệnh Join liên kết các bề mặt

82

4.27

Lệnh Close surface tạo khối

82

4.28

Lệnh Extrude tạo trục dẫn hướng và cổ trục

83

4.29

Tạo trục then hoa

83

4.30

Lệnh Groove tạo lỗ ren

83

4.31

Bản vẽ trục vít 3D sau khi hoàn thành

84

4.32

Bản vẽ trục vít 2D sau khi hoàn thành

85

4.33

Thiết lập các thông số cơ bản của máy

86

4.34

Lựa chọn dụng cụ

86

4.35

Thiết lập các đường chạy dao

87

4.36

Quá trình mô phỏng gia công

87

4.37

Kết quả mô phỏng quá trình gia công phần cấp liệu

88

4.38

Kết quả mô phỏng quá trình gia công phần nén ép

88

4.39

Kết quả mô phỏng quá trình gia công phần định lượng

89

4.40

Công cụ xuất sang chương trình gia công

90

6


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trước đây khi gia công những chi tiết có bề mặt phức tạp thường gặp nhiều khó
khăn và mang lại hiệu quả không cao. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, sự phát
triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy các ngành công nghiệp sản
xuất tự động phát triển theo. Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo, sự ra đời của máy công
cụ điều khiển bằng chương trình số với sự trợ giúp của hệ thống CAD/CAM
(Computer Aided Design/ Computer Aided Manufacturing) đã nhanh chóng tạo ra
những bước nhảy vọt về năng suất và chất lượng. Điều đó đã đưa ngành cơ khí chế
tạo chuyển sang một thời kỳ mới - thời kỳ sản xuất hiện đại.
Hầu hết trong các phân xưởng sản xuất ở nước ta hiện nay đều đã được trang
bị các máy công cụ CNC để phục vụ sản xuất, bao gồm các loại máy phay, tiện,
mài, …v.v. Nhưng việc khai thác hiệu quả các khả năng gia công của chúng còn
nhiều hạn chế chủ yếu là do trình độ của cán bộ kỹ thuật Việt Nam còn yếu, các
chương trình điều khiển máy CNC được người lập trình viết bằng tay, việc sử dụng
các phần mềm hỗ trợ để lập trình còn chưa được phổ biến rộng rãi.
Ứng dụng công nghệ CAD/CAM (Computer Aided Design/ Computer Aided
Manufacturing) phục vụ cho máy công cụ CNC là vấn đề được nhiều người quan
tâm, bởi công nghệ này không chỉ phục vụ trong sản xuất hiện đại, mà còn góp phần
nâng cao năng suất chế tạo sản phẩm gia công cơ khí.
Việc nghiên cứu ứng dụng các phần mềm CAD/CAM cho các máy CNC là
lĩnh vực rất quan trọng vì nó không những nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của

từng nguyên công mà còn tạo ra cơ sở quan trọng phục vụ việc tự động hoá quá
trình chuẩn bị công nghệ, rút ngắn thời gian và khối lượng lao động khi chuẩn bị
sản xuất, đồng thời còn tạo ra các điều kiện cơ bản cho việc điều khiển nguyên công
tiến tới tự động hoá quá trình sản xuất. Bản chất của các phần mềm CAD/CAM
trong thiết kế và chế tạo chính là dựa vào máy tính để mã hoá dữ liệu hình học, nên
tạo điều kiện cho các quy trình thiết kế và chế tạo được tích hợp cao độ. Hệ CAD
tất nhiên không hiểu được các khái niệm của thế giới thực, chẳng hạn như bản chất

7


hay chức năng của đối tượng được thiết kế mà hệ CAD chỉ thi hành chức năng của
mình nhờ khả năng mã hoá các khái niệm hình học. Chính vì vậy các chi tiết dù có
phức tạp cũng sẽ dễ dàng xây dựng được mô hình bằng những phần mềm CAD và
từ đó sẽ được chuyển sang các phần mềm CAM để lập trình, kiểm tra mô phỏng
trước khi đưa vào gia công trên các máy CNC.
Phần mềm CATIA là một trong những hệ thống CAD/CAM/CAE 3D tương
đối hoàn chỉnh và mạnh mẽ nhất hiện nay do hãng Dassault System ứng dụng khi
giải quyết hàng loạt các bài toán lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: Xây dựng;
cơ khí tự động hóa; công nghiệp ô tô tàu thủy và cao hơn là công nghiệp hàng
không. Nó giải quyết công việc một cách triệt để từ khâu thiết kế mô hình CAD đến
khâu sản xuất dưa trên cơ sở CAM và khả năng phân tích tính toán tối ưu hóa lời
giải dựa trên chức năng CAE(Computer Aid Engineering) của phần mềm CATIA.
Chính vì vậy việc nghiên cứu và ứng dụng phần mềm này vào trong các lĩnh vực
công nghiệp hiện nay đã và đang là vấn đề quan tâm không chỉ ở trên thế giới mà cả
ở Việt Nam.
Như vậy, nghiên cứu ứng dụng các phần mềm CAD/CAM trong thiết kế và
chế tạo là một yêu cầu tất yếu khách quan. Một trong những vấn đề mấu chốt cần
phải giải quyết để nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của quá trình gia công chế
tạo cơ khí, đặc biệt là với xu thế hội nhập hiện nay.

Từ những ý tưởng nêu trên Tác giả tiến hành thực hiện luận văn tốt nghiệp với
đề tài " Ứng dụng phần mềm CATIA trong thiết kế và lập trình gia công trục vít có
bước thay đổi trên máy tiện CNC”. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là những tài
liệu cần thiết phục vụ đào tạo, nghiên cứu và chuyển giao công nghệ, góp phần
nâng cao hiệu quả đào tạo, chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu phần mềm CATIA ứng dụng một số module trong thiết kế và lập
trình gia công. Trên cơ sở đó tiến hành nghiên cứu công nghệ chế tạo và sử dụng
phần mềm để thiết kế và lập trình gia công cho chi tiết trục vít có bước thay đổi trên
máy tiện CNC

8


3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu phần mềm CATIA là vấn đề rộng cần thời gian dài, vì vậy trong
đề tài này chỉ giới hạn các nội dung sau:
Phần mềm CATIA: Phần mềm CATIA được sử dụng trong đề tài là bản
V5R20 được phổ biến rộng rãi trên thị trường hiện nay.
Đối tượng gia công: Đề tài nghiên cứu, thiết kế, lập trình gia công và mô
phỏng quá trình gia công biên dạng xoắn của chi tiết trục vít có bước thay đổi trên
máy tiện CNC bằng phần mềm.
Địa điểm nghiên cứu: Đề tài được tiến hành nghiên cứu tại trường đại học
Bách Khoa Hà Nội; trường đại học Lâm Nghiệp và một số cơ sở sản xuất.
4. Nội dung/ nhiệm vụ nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu của đề tài, Luận văn tập trung giải quyết những nội
dung sau:
- Nghiên cứu lý thuyết, tổng hợp một số cơ sở khoa học, thực tiễn quá ứng dụng
công nghệ CAD/CAM trong lĩnh vực cơ khí. Phân tích các đặc điểm cơ bản của chi tiết
trục vít có bước thay đổi để đưa ra phương án công nghệ và phương pháp chế tạo.

- Ứng dụng phần mềm CATIA, ứng dụng trong thiết kế, lập trình và mô phỏng
gia công trục vít có bước thay đổi trên máy tiện CNC.
Với nội dung cứu đã trình bày ở trên, Tác giả chia Luận văn thành 4 chương
được tóm tắt như sau:
Chương 1. Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu: Giới thiệu chung về khái
niệm CAD/CAM; Lịch sử phát triển và quá trình nghiên cứu công nghệ CAD/CAM
nói chung ở Việt Nam.
Chương 2. Thiết bị sử dụng trục vít có bước thay đổi: Trong chương này,
Tác giả giới thiệu một số đặc điểm về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các thiết bị
có sử dụng trục vít; Giới thiệu đặc điểm cấu tạo và thông số kỹ thuật chung của trục
vít.

9


Chương 3. Quy trình công nghệ gia công trục vít có bước thay đổi: Gia
công chi tiết này là một công việc tương đối phức tạp, Tác giả đề xuất một quy trình
công nghê gia công.
Chương 4. Ứng dụng phần mềm CATIA trong thiết kế và gia công trục
vít: Trong chương này, Tác giả giới thiệu về phần mềm CATIA: Lịch sử phát triển,
cấu trúc; Sử dụng một số module của phần mềm để thiết kế, mô phỏng gia công trên
máy tiện CNC.
5. Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp chủ đạo được sử dụng để giải quyết các nội dung nghiên cứu
của đề tài là phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp kế thừa và phương pháp
chuyên gia.
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Được sử dụng trong nghiên cứu các công
trình khoa học, tổng hợp cơ sở lý luận để giải quyết các nội dung: tổng quan về vấn đề
nghiên cứu; tạo lập cơ sở lý luận của đề tài.
- Phương pháp kế thừa: Được sử dụng trong việc nghiên cứu phần mềm và đặc

điểm cấu tạo của trục vít. Các kết quả đã được nghiên cứu trên thế giới và trong nước
có liên quan phục vụ giải quyết nội dung thiết kế, lập trình gia công
- Phương pháp chuyên gia: Được sử dụng để giải quyết các vấn đề về công nghệ
và tối ưu trong thiết kế.
6. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
- Bổ sung dữ liệu về đặc điểm cấu tạo cũng như quy trình công nghệ gia công
loại trục vít có bước thay đổi, là cơ sở để nghiên cứu và chế tạo các chi tiết có cấu
tạo phức tạp khác.
- Cung cấp một số dữ liệu về phần mềm CATIA ứng dụng trong lĩnh vực thiết
kế và lập trình gia công các chi tiết trên máy tiện CNC
- Định hướng cho các cơ sở sản xuất ứng dụng phần mềm này nhằm đảm bảo
nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất.

10


Chương 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan chung về công nghệ CAD/CAM
Gia công vật liệu là một trong những quá trình chế tạo sản phẩm hoàn chỉnh
của ngành cơ khí, xây dựng dân dụng và công nghiệp. Quá trình gia công kim loại
và các vật liệu phi kim loại chủ yếu là quá trình gia công bằng cơ học. Cùng với sự
phát triển của gia công kim loại bằng cơ học mà lý thuyết cắt gọt kim loại đã ra đời
và phát triển không ngừng.
Hiện nay, trong thời buổi cạnh tranh mang tính toàn cầu, các nhà sản xuất
luôn luôn tìm cách giới thiệu các sản phẩm mới với tính năng đa dạng, chất lượng
cao, giá thành hạ và thời gian giao hàng ngắn. Để làm được điều này các nhà sản
xuất phải cân nhắc kỹ từng giai đoạn trong quá trình sản xuất với những tính toán
tối ưu. Họ đã cố gắng sử dụng những máy tính có bộ nhớ khổng lồ, tốc độ xử lý
nhanh và có khả năng tương tác đồ họa thân thiện với con người trong nhiều giai

đoạn của quá trình sản xuất. Với sự hỗ trợ của máy tính, nhiều phần công việc đã
được hoàn thành một cách tự động hóa và chính xác, giúp giảm thời gian và chi phí
trong phát triển sản phẩm và trong chế tạo.
Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-Aided Design- CAD), chế tạo
có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-Aided Manufacturing- CAM) và phân tích,
tính toán kỹ thuật có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-Aided Engineering- CAE)
là những công nghệ được sử dụng cho mục đích này trong suốt chu kỳ sản xuất sản
phẩm. CAD và CAE được ứng dụng vào giai đoạn thiết kế sản phẩm còn CAM
được ứng dụng vào giai đoạn chế tạo, bắt đầu từ việc lập quy trình chế tạo và kết
thúc bằng các sản phẩm thực.
CAD là từ viết tắt của Computer Aided Drawing hoặc Computed Aided
Design. Hiểu một cách chung nhất CAD có nghĩa là sử dụng máy tính trong quá
trình thiết kế và lập bản vẽ. Theo phương pháp truyền thống thì các bản vẽ kỹ thuật
thì được vẽ bằng tay. Công việc này đòi hỏi rất nhiều công sức và thời gian đặc biệt
là khi gặp những chi tiết phức tạp. Vì vậy mà ngày nay CAD được sử dụng rộng rãi

11


trong rất nhiều lĩnh vực mà không chỉ riêng trong lĩnh vực cơ khí sản xuất mà còn
trong cả xây dựng, kiến trúc, mỹ thuật, thương mại, y học …v.v. CAD chủ yếu
được sử dụng trong thiết kế và phát triển sản phẩm bằng cách thể hiện mô hình 3D
và bản vẽ 2D. Kết quả của CAD là một bản vẽ xác định, một sự biểu diễn nhiều
hình chiếu khác nhau của một chi tiết với các đặc trưng hình học và chức năng.
Khác biệt cơ bản với qui trình thiết kế theo công nghệ truyền thống, CAD cho
phép quản lý đối tượng thiết kế dưới dạng mô hình hình học số trong cơ sở dữ liệu
trung tâm, do vậy CAD có khả năng hỗ trợ các chức năng kỹ thuật ngay từ giai đoạn
phát triển sản phẩm cho đến giai đoạn cuối của quá trình sản xuất, tức là hỗ trợ điều
khiển các thiết bị sản xuất bằng điều khiển số. Hệ thống CAD được đánh giá phụ
thuộc chủ yếu vào chức năng xử lý của các phần mềm thiết kế. Ngày nay những bộ

phần mềm CAD/CAM chuyên nghiệp phục vụ thiết kế thực hiện một số chức năng
cơ bản như sau:
- Thiết kế mô phỏng hình học 3 chiều (3D) những hình dạng phức tạp.
- Giao tiếp với các thiết bị đo, quét toạ độ 3D thực hiện nhanh chóng các chức
năng mô phỏng hình học từ dữ liệu số.
- Phân tích và liên kết dữ liệu: quản lý kết cấu lắp ghép...
- Tạo bản vẽ và ghi kích thước tự động: có khả năng liên kết các bản vẽ 2D với
mô hình 3D và ngược lại.
- Liên kết với các chương trình tính toán thực hiện các chức năng phân tích kỹ
thuật: tính biến dạng khuôn, mô phỏng dòng chảy vật liệu, trường áp suất, trường
nhiệt độ, độ co rút vật liệu,...
- Nội suy hình học, biên dịch các kiểu đường chạy dao chính xác cho công
nghệ gia công điều khiển số.
- Giao tiếp dữ liệu theo các định dạng đồ hoạ chuẩn.
- Xuất dữ liệu đồ hoạ 3D dưới dạng tập tin STL để giao tiếp với các thiết bị tạo
mẫu nhanh theo công nghệ tạo hình lập thể.
Trên thị trường 3D CAD hiện nay thì phổ biến vẫn là 3 nhà sản xuất là
Dassault - CATIA, PTC – Pro/E, Simens – Unigraphics. Nhưng thị phần của 3 hãng

12


này đang bị cạnh tranh quyết liệt bởi các hãng sản xuất phần mềm mới như:
SolidWorks (một nhánh của Dassault), TopSolid, Cimatron, Space-E của NTT
DATA Engineering System (Japan), IronCAD và SpaceClaim.
Với khái niệm về CAD hiện đại thì một gói phần mềm CAD phải gồm 3
module chính sau:
1. Design ( 2D/3D modeling, assemblies of part)
2. Analysis: Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn FEA (Finite Element
Application) để tối ưu hóa và giải các bài toán kỹ thuật như xử lý nhiệt, biến dạng,

và phân tích tải trọng, ứng suất, biến dạng, thể tích.
3. Visualization: Render/Shade mô hình, Animation.
Một quá trình CAD tiêu biểu được thực hiện theo các bước sau:
- Xây dựng mô hình hình học sản phẩm.
- Phân tích kỹ thuật sản phẩm.
- Kiểm tra và đánh giá kỹ thuật.
- Xây dựng bản vẽ kỹ thuật.
CAD có nhiều ưu điểm nổi bật như:
- Tạo và sửa lỗi dễ dàng.
- Trực quan hơn vì cho phép ta quan sát mô hình ở góc nhìn 3D với rất nhiều
cách quan sát khác nhau.
- Lưu và tái sử dụng các bản vẽ dễ dàng.
- Nâng cao độ chính xác
- Lưu trữ thành cơ sở dữ liệu để dễ dàng quản lý trao đổi, thảo luận và kinh
doanh
- Việc phân tích, mô phỏng và kiểm tra mô hình 3D dễ dàng hơn.
Hiện nay trên thế giới đã có hàng ngàn phần mềm CAD và một trong những
phần mềm thiết kế đầu tiên là AutoCAD. AutoCAD phiên bản đầu tiên (Release 1)
được công bố tháng 12 – 1982. Cho đến năm 1997 thì đã có phiên bản thứ 14
(Release 14). Từ năm 2000 đến nay, gần như mỗi năm đều có ra đời phiên bản mới.

13


CAM (Computer aided manufacturing), có thể hiểu khái niệm này là việc sử
dụng hệ thống máy tính để kiểm soát máy công cụ và các thiết bị liên quan trong
quá trình sản xuất. CAM cũng có thể sử dụng một máy tính để hỗ trợ nhiều hoạt
động sản xuất trong cả một phân xưởng hay nhà máy bao gồm cả việc đặt kế hoạch,
giao thông vận tải và quản lý lưu trữ dữ liệu.
Một trong những lĩnh vực hoàn thiện nhất của CAM là điều khiển chương

trình số (Numerical Control – NC). Đây là kỹ thuật sử dụng các chỉ dẫn đã được lập
trình để điều khiển các máy công cụ như máy mài, máy tiện, máy phay, máy dập…
Máy tính có thể sản sinh ra một lượng đáng kể các chỉ dẫn NC dựa trên các dữ liệu
hình học từ cơ sở dữ liệu CAD cộng với những thông tin bổ sung được cung cấp bởi
người vận hành. Sơ đồ các lĩnh vực ứng dụng trong hệ CAM có thể được biểu diễn
theo sơ đồ trên hình 1.1:

CAM
LẬP KẾ HOẠCH SẢN
XUẤT

ĐIỀU KHIỂN
QUÁ TRÌNH SẢN

Cơ sở dữ liệu công nghệ

Điều khiển chất lượng sản
ẩ

Tiêu chuẩn hóa các nguyên

Điều khiển xưởng

Lập trình gia công

Giám sát các quá trình sản xuất

Sắp xếp dây chuyền sản xuất

Điều khiển quá trình sản xuất

Dự tính giá thành sản phẩm

Điều khiển các máy NC &

Lập kế hoạch sản xuất

Điều khiển vật tư và công cụ
Điều khiển các người máy
Điều khiển thiết bị vận chuyển

Hình 1.1. Các ứng dụng trong hệ CAM [6]

14


Lập kế hoạch sản xuất được thực hiện ở văn phòng cho các công việc cụ thể
sau đây:
- Tự động hóa thiết kế quy trình công nghệ, có nghĩa là hình thành các trình tự
nguyên công để gia công chi tiết cụ thể. Muốn thực hiện được công việc này, ngoài
các dữ liệu về hình học (bên CAD cung cấp), còn cần các dữ liệu về công nghệ như:
thông số kỹ thuật của máy, thông số về dao cắt, thông số về gá lắp, thông số chế độ
cắt và tiêu chuẩn hoá các nguyên công.
- Tự động lập chương trình gia công cho máy điều khiển theo chương trình số.
Ngôn ngữ lập trình của CAM là APT (Auto matically Programed Tool). Với APT
người lập trình có thể xác định hình dạng dụng cụ, dung sai, yếu tố hình học chuyển
động dụng cụ. Nhược điểm của APT là thời gian tính toán lớn cho những chi tiết
đơn giản. Ưu việt lớn nhất của APT là nó đã trỡ thành chuẩn cho thế giới rộng lớn
của máy NC.
- Tự động hóa lập các định mức kỹ thuật để thực hiện từng nguyên công công

nghệ.
- Tự động lên kế hoạch nhu cầu về cơ sở vật chất, mua bán thành phẩm và
nguyên vật liệu.
- Tự động lập kế hoạch sản xuất có xét tới yêu cầu và điều kiện cụ thể. Việc
điều khiển quá trình sản xuất được thực hiện dưới mặt bằng phân xưởng của xí
nghiệp hay nhà máy. Bao gồm các công việc điều khiển tự động các trang thiết bị
như máy công cụ, dây chuyền sản xuất, robot vận chuyển, robot cấp phôi, lấy chi
tiết…; điều khiển, giám sát hoạt động của xưởng như: chất lượng sản phẩm, cung
cấp vật tư, lưu kho … Trong tất cả những công việc áp dụng của máy tính điện tử
trên đây đòi hỏi có sự tham gia của con người hoặc để nhập dữ liệu đảm bảo cho
chương trình làm việc hoặc để giám sát các kết quả thực hiện.
Trên thế giới hiện có rất nhiều phần mềm CAM đơn lẻ hoặc dạng tích hợp
CAD/CAM. Giá thành của các gói phần mềm này cũng khác biệt nhiều tùy thuộc
tính năng của chúng. Các phần mềm CAM, CAD/CAM phổ biến ở Việt Nam hiện

15


nay là MasterCAM, DelCAM SolidCAM, Pro/Engineer, Catia, Unigraphics,
Cimatron, VISI-Series,…
Tổ hợp CAD/CAM là một hệ thống mà ở đó mối liên kết giữa thiết kế và chế
tạo được hoàn thiện dựa trên cơ sở sử dụng thông tin và dữ liệu của quá trình CAD
trực tiếp trong thủ tục CAM. Như vậy tránh được sự hình thành một cách độc lập
các dữ liệu cho chương trình của máy tính trong lĩnh vực sản xuất.

Hình 1.2. Mô hình công cụ CAD/CAM [15]
Khái niệm CAD/CAM dù đã có từ rất lâu nhưng vẫn đang tiếp tục được phát
triển và mở rộng. Ban đầu CAD và CAM được sử dụng độc lập để mô tả việc lập
trình bộ phận với sự trợ giúp của máy tính và các bản vẽ đồ họa. Trong những năm
gần đây, hai khái niệm này được nối kết với nhau để tạo ra khái niệm thống nhất

CAD/CAM, biểu diễn một phương pháp tích hợp máy tính trong toàn bộ quá trình
sản xuất bao trùm cả hai khâu thiết kế và sản xuất. Cụ thể trong pha thiết kế bao
gồm toàn bộ các hoạt động liên quan đến các dữ liệu kỹ thuật như bản vẽ, các mô
hình học, phân tích các phần tử hữu hạn, bản ghi các chi tiết và kế hoạch, thông tin
chương trình NC. Trong khâu sản xuất, các ứng dụng của máy tính bao trùm trong
lập kế hoạch quá trình, điều độ sản xuất, NC, CNC, quản lý chất lượng và lắp ráp.
Sự kết hợp của CAD/CAM đã tạo ra các hệ thống tự động thiết kế và chế tạo
trong đó máy tính điện tử được sử dụng để thực hiện một số chức năng nhất định.
Tự động hoá thiết kế là quá trình sử dụng các hệ thống và phương tiện tính toán
giúp người kỹ sư thiết kế, mô phỏng, phân tích và tối ưu hoá các giải pháp thiết kế.

16


Còn Tự động hoá chế tạo là dùng máy tính điện tử để kế hoạch hoá, điều khiển và
kiểm tra các nguyên công gia công.
Mục đích của tích hợp CAD/CAM là hệ thống hóa dòng thông tin từ khi bắt
đầu thiết kế sản phẩm tới khi hoàn thành quá trình sản xuất. Chuỗi các bước được
tiến hành với việc tạo dữ liệu hình học, tiếp tục với việc lưu trữ và xử lý bổ sung, và
kết thúc với việc chuyển các dữ liệu này thành thông tin điều khiển cho quá trình
gia công, di chuyển nguyên vật liệu và kiểm tra tự động được gọi là kỹ thuật trợ
giúp bởi máy tính CAE và được coi như kết quả của việc kết nối CAD và CAM.
Để đánh giá được tầm quan trọng của CAD/CAM trong chu kỳ sản xuất chúng
ta cần phải phân tích các phạm vi hoạt động khác nhau và chức năng tương ứng để
thực hiện việc nghiên cứu và chế tạo sản phẩm. Các thể loại công việc và chức năng
của chúng trong chu kỳ sản xuất được thể hiện trên hình 1.3.

Hình 1.3. Sơ đồ sản xuất khi áp dụng hệ CAD/CAM [15]
Sơ đồ hình 1.3 ta cho thấy. Chu kỳ này hoạt động theo nhu cầu của khách hàng
và thị trường tiêu thụ. Chu kỳ sản xuất có thể thay đổi tuỳ theo yêu cầu của khách

17


hàng. Có trường hợp công việc thiết kế là do khách hàng thực hiện cho nên nhà máy
chỉ có nhiệm vụ chế tạo sản phẩm đã được thiết kế đó. Trường hợp thứ hai là nhà
máy đảm nhận luôn cả công việc thiết kế và chế tạo sản phẩm. Tuy nhiên nếu tổng
quát mà nói thì đều xuất phát từ ý đồ tạo ra sản phẩm mới. Dựa vào ý đồ tạo ra sản
phẩm đó mới thiết kế sản phẩm, hoàn tất bản vẽ .
Trên bản vẽ sản phẩm phải nêu rõ các yêu cầu kỹ thuật cần phải đảm bảo trong
quá trình chế tạo. Trên cơ sở các bản vẽ chi tiết phải lập quy trình công nghệ chế tạo
sản phẩm và lập kế hoạch sản xuất. Để chế tạo sản phẩm phải lập nhu cầu về trang
thiết bị công nghệ và các dụng cụ cần thiết. Kế hoạch sản xuất phải chỉ rõ thời gian
và sản lượng xuất xưởng trong thời gian đã định. Tiếp theo là công đoạn đưa vào
sản xuất, chế tạo xong phải tiến hành kiểm tra và thử nghiệm sản phẩm, cuối cùng
là bàn giao cho khách hàng. Trong giai đoạn thiết kế sản phẩm mới, áp dụng máy
tính điện tử cho phép tự động hóa thiết kế, in các bản vẽ và tài liệu kỹ thuật.
Nói tóm lại : CAD/CAM chi phối hầu hết các dạng hoạt động và chức năng
của chu kỳ sản xuất. Ở các nhà máy hiện đại, trong công đoạn thiết kế và chế tạo,
kỹ thuật tính toán ngày càng phát huy tác dụng và là nhu cầu không thể thiếu được.
1.2. Lịch sử phát triển của CAD/CAM
Lúc đầu CAD/CAM là hai ngành phát triển tách biệt nhau, độc lập với nhau
trong khoảng 30 năm. Hiện nay chúng được tích hợp thành một hệ, trong đó thiết kế
có thể lựa chọn phương án tối ưu và quá trình sản xuất có thể được giám sát và điều
khiển từ khâu đầu đến khâu cuối.
Năm 1950 được gọi là thời đại của đồ họa máy tính tương tác. Cụ thể, ý tưởng
về sự phát triển điều khiển số (Numerical control = NC) cho máy công cụ được hình
thành vào năm 1940 - 1950 do John t. Parsons tại Viện công nghệ Massachusetts
(MIT- Massachusetts Institute of Technology Cambridge, USA). Vì nhiệm vụ của
Không lực Hoa Kỳ cần chế tạo những chi tiết quan trọng của những máy bay lớn từ

vật liệu đồng nhất hơn là dùng đinh tán hay hàn các vật liệu lại với nhau. Tuy nhiên
trong thời đại này quá trình phát triển gặp nhiều khó khăn bởi những thiếu sót của
các máy tính lúc đó. Trong thời gian cuối những năm 1950, sự phát triển của công

18


cụ lập trình tự động (APT - Automatically Programmed Tool) đã bắt đầu khám phá
tiềm năng của card đồ họa tương tác.
Năm 1959 thiết bị đồ hoạ đầu tiên là màn hình xuất hiện tại Đức và cho đến
năm 1960 - SAGE (Semi-Automatic Ground Environment System) xuất hiện bút
sáng thao tác với màn hình ra đời. Màn hình là thiết bị thông dụng nhất trong hệ đồ
hoạ, các thao tác của hầu hết các màn hình đều dựa trên thiết kế ống tia âm cực
CRT (Cathode Ray Tube). Khi đó giá để làm tươi màn hình là rất cao, máy tính xử
lý chậm, đắt và không chắc chắn
Phần mềm CAD đầu tiên là SKETCHPAD xuất hiện vào những năm 1960 1963 được viết bởi Ivan Sutherland thuộc trường kỹ thuật Massachusetts. Đây là lần
đầu tiên có khả năng tạo mới, hiển thị và thay đổi được thực hiện trong thời gian
thực trên màn CRT.
Trong những năm sau đó, công nghệ CAD tiếp tục phát triển và phổ biến sang
các khu vực khác. Các công ty ô tô công ty là những người đầu tiên ứng dụng công
nghệ, và dùng nó chủ yếu để thiết kế các chi tiết cho thân ô tô. Sau đó nó nhanh
chóng lan sang các lĩnh vực khác của ngành công nghiệp khác thay thế dần quá
trình thiết kế bằng soạn thảo trên giấy.
Đến năm 1970, những nỗ lực nghiên cứu của các thập kỷ trước đây về đồ họa
máy tính đã bắt đầu có hiệu quả, và tiềm năng của đồ họa máy tính tương tác về
năng suất được nâng cao đã được nhận ra bởi Chính phủ, các ngành công nghiệp và
các viện Hàn Lâm. Do đó những năm 1970 được mô tả như là thời kỳ vàng cho máy
tính soạn thảo và bắt đầu thiết kế các ứng đặc biệt khác. Đến năm 1979-1980 hiệp
hội đồ họa máy tính quốc gia (NCGA) được thành lập và kỹ thuật đồ họa (Initial
Graphics Exchange Specification -IGES) được khởi xướng.

19


Hình 1.4. Lịch sử triển của CAD/CAM/CNC [6]
Cũng như CAD, hệ CAM được phát triển ứng dụng đầu tiên tại MIT cho các
máy gia công điều khiển số CNC bằng máy vi tính vào đầu những năm 70. Cùng
lúc đó, các loại màn hình 19 Inch ra đời đã thay thế các loại màn hình tiêu chuẩn cũ
11 Inch, có nghĩa là các loại bản vẽ đã có thể quan sát lớn hơn so với trước đây.
Hệ tích hợp CAD/CAM ra đời vào giữa những năm 70 và 80. Cho đến những
năm cuối thế kỷ 20, công nghệ CAD/CAM đã trở thành một lĩnh vực đột phá trong
thiết kế, chế tạo và sản xuất sản phẩm công nghiệp. Hai lãnh vực này ghép nối với
nhau đã trở thành một loại hình công nghệ cao, một lãnh vực khoa học tổng hợp của
sự liên ngành Cơ khí – Tin học – Điện tử – Tự động hóa. Cùng với sự phát triển của
khoa học máy tính, CAD/CAM đã được nhận thức và chấp nhận nhanh chóng trong
rất nhiều ngành công nghiệp vì nó là hạt nhân chính để sáng tạo và sản xuất sản
phẩm, để tăng năng xuất lao động, giảm cường độ lao động và tự động hóa quá
trình sản xuất, nâng cao độ chính xác chi tiết và đạt hiệu quả kinh tế cao.
1.3. Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ CAD/CAM ở Việt Nam
Trong nền kinh tế quốc dân, ngành Cơ khí đóng một vai trò rất quan trọng.
Ngay từ khi mới ra đời, ngành công nghiệp cơ khí ở nước ta đã được Đảng và Nhà
nước xác định là ngành có vai trò then chốt và luôn được ưu tiên phát triển, đã có
nhiều nhà máy cơ khí lớn được xây dựng, có nhiều trung tâm đào tạo, nghiên cứu ra
đời. Theo số liệu thống kê gần đây, số lượng cơ sở cơ khí có khoảng 53.000 cơ sở
và số lượng công nhân tham gia trực tiếp khoảng 500.000 lao động, chiếm khoảng

20