Nghiên cứu phân tích và ứng dụng phần mềm chuyên dùng trong công nghệ ngược để thiết kế và chế tạo chi tiết phức tạp trên Trung tâm khoan và phay

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VŨ HỒNG SƠN

NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CHUYÊN
DÙNG TRONG CÔNG NGHỆ NGƯỢC ĐỂ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
CHI TIẾT PHỨC TẠP TRÊN TRUNG TÂM KHOAN VÀ PHAY.

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Hà Nội - Năm 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VŨ HỒNG SƠN

NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CHUYÊN
DÙNG TRONG CÔNG NGHỆ NGƯỢC ĐỂ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
CHI TIẾT PHỨC TẠP TRÊN TRUNG TÂM KHOAN VÀ PHAY.

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Phạm Văn Hùng

Hà Nội - Năm 2011


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung
thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Trừ
các phần tham khảo đã được nêu rõ trong Luận văn.

Tác giả

Vũ Hồng Sơn


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Phạm Văn Hùng, người đã hướng
dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài đến quá trình viết và hồn chỉnh
Luận văn.
Tác giả bày tỏ lịng biết ơn đối với Ban lãnh đạo và Viện đào tạo Sau đại
học, Viện Cơ khí của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện
thuận lợi để hoàn thành bản Luận văn này.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn khơng tránh khỏi
sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo,
các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp.

Tác giả

Vũ Hồng Sơn


MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN..............................................................................................
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................
MỤC LỤC..........................................................................................................
TÓM TẮT LUẬN VĂN....................................................................................
DANH MỤC CÁC CHỮ VI ẾT TẮT, CÁC HÌNH VẼ.....................................
MỞ ĐẦU..........................................................................................................1
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ THIẾT KẾ NGƯỢC
1.1 Cơng nghệ thiết kế ngược............................................................................3
1.2 CAD/CAM/CAE.........................................................................................5
1.2.1 CAD (Computer-Aided Design)....................................................5
39T

39T

1.2.2 CAM (Computer-Aided Manufacturing).......................................8
39T

39T

1.2.3 CAE (Computer-Aided Engineering)..........................................10
39T

39T

1.3 CNC (Computer Numerical Control)........................................................12
Chương 2
CÁC THIẾT BỊ VÀ PHẦN MỀM SỬ DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ
THIẾT KẾ NGƯỢC
2.1 Các thiết bị sử dụng trong công nghệ thiết kế ngược................................15
2.1.1 Các thiết bị dùng phương pháp quang học...................................15
2.1.2 Các thiết bị dùng phương pháp cơ học.........................................23
2.2 Các phần mềm sử dụng trong công nghệ thiết kế ngược để sử lý dữ liệu
sau khi qt và lập trình gia cơng....................................................................26
2.2.1 Phần mềm Geomagic studio.........................................................26
2.2.2 Phần mềm Rapidform XOR.........................................................29


2.2.3 Phần mềm Mastercam…………………………………………..33
2.2.4 Phần mềm Catia …………………...…………………………...34
2.2.5 Phần mềm Delcam……………………………………………...35
Chương 3
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ NGƯỢC THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
SẢN PHẨM
3.1 Thiết kế, chế tạo chi tiết vũ khí ứng dụng cơng nghệ thiết kế ngược........42
3.2 Thiết kế, chế tạo chi tiết khóa nịng súng trung liên RPD ứng dụng cơng
nghệ thiết kế ngược.........................................................................................46
3.2.1 Phân tích chi tiết khóa nịng súng trung liên RPD.......................47
3.2.2 Lựa chọn thiết bị quét..................................................................47
3.2.3 Lựa chọn phần mềm sử lý dữ liệu sau qt..................................48
3.2.4 Qui trình ứng dụng cơng nghệ thiết kế ngược trong thiết kế, chế
tạo chi tiết khóa nịng súng trung liên RPD.....................................................50
Chương 4
PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC SẢN PHẨM ỨNG DỤNG
CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ NGƯỢC

4.1 Sai số trong giai đoạn quét thu thập dữ liệu..............................................82
4.2 Sai số trong giai đoạn xử lý dữ liệu quét...................................................82
4.3 Sai số trong giai đoạn gia công cơ.............................................................82
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận.......................................................................................................86
2. Kiến nghị.....................................................................................................86
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................87


DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1. Một số sản phẩm ứng dụng cơng nghệ thiết kế ngược………...…...3
Hình 1.2. Mơ phỏng ứng suất dùng phần mềm ANSYS.................................10
Hình 1.3. Mơ phỏng chuyển vị dùng phần mềm ANSYS...............................11
Hình 1.4. Mối quan hệ giữa CAD/CAM và CNC ..........................................14
Hình 2.1. Máy quét laser Handy Scan.............................................................16
Hình 2.2. Máy quét tốc độ cao ATOS I...........................................................17
Hình 2.3. Máy quét laser 3D Vivid 910..........................................................19
Hình 2.4. Hệ thống đo COMET......................................................................20
Hình 2.5. Nguyên lý nhận điểm......................................................................20
Hình 2.6. Máy đo tọa độ 3 chiều CMM..........................................................24
Hình 2.7. Một số loại đầu dị máy đo tọa độ 3 chiều CMM............................24
Hình 2.8. Máy đo tọa độ 3 chiều CMM kiểu cầu............................................25
Hình 2.9. Máy CMM kiểu Grantry của B&S..................................................26
Hình 2.10. Máy CMM kiểu Cantiver của Tarrus............................................26
Hình 2.11. Quy trình xử lý dữ liệu quét..........................................................28
Hình 3.1. Chi tiết mẫu thân tay cị súng chống tăng B41................................43
Hình 3.2 Dữ liệu qt của thân tay cị súng chống tăng B41..........................43
Hình 3.3 Sửa lỗi dữ liệu quét...........................................................................44
Hình 3.4 Vá lưới và tối ưu hóa lưới................................................................45

Hình 3.5 Phân vùng dữ liệu.............................................................................45
Hình 3.6 Tạo các surfaces và dựng hình.........................................................46
Hình 3.7 Mơ hình 3D của chi tiết thân tay cị súng chống tăng B41...............46
Hình 3.8 Chi tiết mẫu khóa nịng súng trung liên RPD.........................47
Hình 3.9 Máy quét laser 3D Vivid 910 và các thiết bị đi kèm………………48


Hình 3.10 Các chế độ làm việc của phần mềm RapidformXOR……...……..49
Hình 3.11 Điều chỉnh máy quét và đặt chi tiết lên bàn quay………...………50
Hình 3.12 Giao diện chính phần mềm Rapidform XOR…………………….51
Hình 3.13 Khởi động máy quét bằng phần mềm Rapidform XOR……...…..51
Hình 3.14 Giao diện thiết lập các thơng số qt……………………………..52
Hình 3.15 Dữ liệu quét xem trước khi quét…………………………….……52
Hình 3.16 Dữ liệu quét trên giao diện máy quét…………………………….53
Hình 3.17 Tự động điền đầy dữ liệu qt…………………………...……….53
Hình 3.18 Mơ hình dữ liệu sau khi điều chỉnh độ sáng phù hợp……….……54
Hình 3.19 Tự động tối ưu hóa dữ liệu qt………………………………….55
Hình 3.20 Sửa lỗi dữ liệu quét…………………………………………….…56
Hình 3.21 Bề mặt trước khi được điền đầy các lỗ hổng…………..…………56
Hình 3.22 Bề mặt sau khi được điền đầy các lỗ hổng……………...………..57
Hình 3.23 Bề mặt sau khi tạo lưới sạch…………………………………..….57
Hình 3.24 Phân vùng màu dữ liệu……………………………………….…..58
Hình 3.25 Xây dựng mặt phẳng Mesh sketch………………………….…….59
Hình 3.26 Xử lý các dữ liệu để xây dựng bề mặt………………...………….60
Hình 3.27 Mơ hình 3D hồn chỉnh của chi tiết………………………..…….60
Hình 3.28 Sơ đồ quy trình cơng nghệ gia cơng sản phẩm……………….…..63
Hình 3.29 Khai báo phơi………………………………………...…………..64
Hình 3.30 Thiết lập đường chạy dao để gia cơng chi tiết……………………65
Hình 3.31 Thiết lập các thơng số của dao……………………………..…….65
Hình 3.32 Thiết lập và lựa chọn chiều sâu cắt………………………..……..66

Hình 3.33 Mơ phỏng đường chạy dao……………………………….………66
Hình 3.34 Lựa chọn tốc độ cắt…………………………………………..…..67
Hình 3.35 Mơ phỏng q trình gia cơng…………………………………….68
Hình 3.36 Q trình xuất chương trình NC…………………………...……..68


Hình 3.37 Mơ phỏng đường chạy dao…………………….…………………69
Hình 3.38 Mơ phỏng q trình gia cơng……………………………….……69
Hình 3.39 Set-up gốc tọa độ…………………………………...…………….71
Hình 3.40 Bù đường kính dao……………………………………………….71


1

1. Lý do chọn đề tài

MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và cơng nghệ
trên hầu hết tất cả các lĩnh vực thì các sản phẩm cơ khí ngày càng có u cầu
cao hơn về chất lượng, độ chính xác gia cơng, mức độ tự động sản xuất và đặc
biệt là yêu cầu về kiểu dáng, mẫu mã sản phẩm phải được thay đổi một cách
thường xuyên và linh hoạt. Vì vậy nhu cầu về thiết kế phát triển sản phẩm
mới hoặc chép mẫu và thiết kế lại từ các sản phẩm đã có, cũng như nhu cầu
về sản xuất, chế tạo chi tiết có hình dáng hình học phức tạp, yêu cầu kỹ thuật
cao là rất lớn.
Nằm trong xu hướng phát triển chung của cơng nghiệp, ngành cơng
nghiệp quốc phịng cũng có sự phát triển mạnh về lượng và chất của các sản
phẩm quốc phịng trong đó có sản phẩm vũ khí. Ngồi những loại vũ khí cần
được sửa chữa cải tiến cịn có những loại vũ khí cần phải được phát triển mới

phù hợp với điều kiện nước ta. Để có sản phẩm đáp ứng được yêu cầu trước
tiên các chi tiết của sản phẩm phải đảm bảo được độ chính xác về hình dáng
hình học vị trí tương quan, độ chính xác về kích thước và các yêu cầu kỹ thuật
khác.
Từ thực tế đó địi hỏi phải phát triển cơng nghệ mới, trong đó có cơng
nghệ CAD/CAM/CNC và cơng nghệ thiết kế ngược. Vì vậy sau khi nhận
được sự định hướng và giúp đỡ tận tình của Thầy PGS.TS. Phạm Văn Hùng
tác giả đã chọn và thực hiện đề tài “Nghiên cứu, phân tích và ứng dụng
phần mềm chun dùng trong cơng nghệ ngược để thiết kế và chế tạo chi
tiết phức tạp trên trung tâm khoan và phay”. Vấn đề này là rất cấp bách, cần
thiết và có ý nghĩa thực tiễn rất cao với điều kiện nước ta trong giai đoạn hiện
nay.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.


2

2.1. Mục đích nghiên cứu.
Với việc ứng dụng cơng nghệ thiết kế ngược trong thiết kế, chế tạo các
chi tiết có hình dạng phức tạp và u cầu kỹ thuật cao sẽ cho chúng ta khai
thác triệt để các loại vũ khí được viện trợ từ trước và phát triển mới một số
loại vũ khí hiện đại đáp ứng được yêu cầu hiện nay.
2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Khả năng về công nghệ thiết kế ngược
- Khả năng ứng dụng công nghệ thiết kế ngược trong thực tế
3. Nội dung nghiên cứu.
Nội dung nghiên cứu theo các nội dung sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ thiết kế ngược
Chương 2: Các thiết bị và phần mềm sử dụng trong công nghệ thiết kế
ngược

Chương 3: Ứng dụng công nghệ thiết kế ngược trong thiết kế, chế tạo
sản phẩm
Chương 4: Phân tích, đánh giá độ chính xác sản phẩm ứng dụng công
nghệ thiết kế ngược
4. Phương pháp nghiên cứu.
Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp
với thực nghiệm:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết.
- Tiến hành thực nghiệm .
- Phân tích và đánh giá kết quả


3

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ THIẾT KẾ NGƯỢC
1.1 Cơng nghệ thiết kế ngược
Từ những năm cuối của thế kỷ XX công nghệ thiết kế ngược đã được
nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực phát triển các sản phẩm, đặc biệt là
trong lĩnh vực thiết kế các mơ hình 3D từ mơ hình cũ đã có nhờ sự trợ giúp
của máy tính. Cơng nghệ thiết kế ngược ngày càng phát triển cùng với sự phát
triển của máy quét hình, máy đo 3 chiều và các phần mềm CAD/CAM.

Hình 1.1. Một số sản phẩm ứng dụng công nghệ thiết kế ngược
Trong công nghệ chế tạo truyền thống, để chế tạo một sản phẩm từ ý
tưởng hoặc nhu cầu thị trường, người ta thiết kế mơ hình CAD rồi gia cơng
trên các máy công cụ. Tuy nhiên trong thực tế chế tạo sản phẩm, đôi khi
người ta cần chế tạo những sản phẩm theo những mẫu đã có sẵn mà chưa
hoặc khơng có các mơ hình CAD tương ứng như một số loại sản phẩm sau:

4

- Các tác phẩm đồ cổ
- Những chi tiết đã ngừng sản xuất từ lâu
- Những chi tiết không rõ nguồn gốc xuất xứ
- Những tác phẩm điêu khắc
- Những chi tiết phức tạp
- Các bộ phận trong cơ thể con người và động vật dùng trong kỹ thuật
cấy ghép.
Để tạo được mẫu của những sản phẩm này, trước đây người ta dùng các
phương pháp đo rồi vẽ phác hoặc dùng sáp, thạch cao để in mẫu. Các phương
pháp này cho độ chính xác khơng cao, tốn nhiều thời gian và cơng sức, đặc
biệt là những chi tiết có hình dáng hình học phức tạp.
Với cơng nghệ ngày nay người ta đã sử dụng máy quét hình hoặc máy
đo 3 chiều CMM để qt hình các sản phẩm sau đó sử dụng các phần mềm
CAD/CAM chuyên dụng để xử lý dữ liệu qt và cuối cùng sẽ tạo được mơ
hình CAD 3D dưới dạng khối hoặc dạng bề mặt có độ chính xác cao. Mơ hình
CAD 3D này có thể được chỉnh sửa lại nếu cần. Ngoài việc thiết kê, chế tạo
được nhiều sản phẩm khác nhau, công nghệ thiết kế ngược cịn có một số ứng
dụng sau đây:
- Đánh giá chất lượng sản phẩm bằng cách so sánh mô hình CAD nhận
được sau khi quét với sản phẩm, từ đó điều chỉnh mơ hình hoặc các thơng số
cơng nghệ để tạo ra sản phẩm theo u cầu.
- Mơ hình CAD nhận được sau khi quét có thể sử dụng làm mơ hình
trung gian trong q trình thiết kế bằng cách tạo mơ hình sản phẩm bằng thủ
cơng trên đất sét, thạch cao, sáp hoặc cao hơn là tạo mô hình sản phẩm trên
các máy tạo mẫu nhanh… rồi sau đó qt hình để tạo mơ hình CAD mới, mơ
hình CAD này có thể chỉnh sửa theo ý muốn.

5

1.2 CAD/CAM/CAE
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thơng tin, CAD/CAM/CAE
đã được ứng dụng nhanh chóng trong cơng nghiệp vì nó là cơng cụ đắc lực
giúp các nhà thiết kế và chế tạo sản phẩm có thể phân tích đánh giá, thay đổi
mẫu mã hoặc lựa chọn phương án gia cơng một cách tối ưu, chính xác và linh
hoạt. Đặc biệt trong cơng nghệ thiết kế ngược thì việc sử lý các dữ liệu sau
khi quét và xây dựng mơ hình 3D thì khơng thể khơng dùng các phần mềm
CAD/CAM.
Khái niệm CAD/CAM dù đã có từ khá 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 thiết kế các bản vẽ, đồ họa và lập trình bộ phận với sự trợ giúp của
máy tính. Trong những năm gần đây, hai khái niệm này được nối kết với nhau
để tạo ra khái niệm thống nhất CAD/CAM. Theo khái niệm này thì
CAD/CAM biểu diễn một phương pháp trợ giúp tích hợp của máy tính trong
tồn bộ q trình sản xuất bao trùm từ khâu thiết kế đến 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 mơ hình, các phần tử hữu hạn, bản ghi các chi tiết và kế
hoạch, thơng tin chương trình NC. Trong khâu sản xuất thì 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.
1.2.1 CAD (Computer-Aided Design)
39T

39T

CAD được định nghĩa là một hoạt động thiết kế liên quan đến việc sử
dụng máy tính để tạo lập, sửa chữa hoặc trình bày một thiết kế kỹ thuật. CAD

có liên hệ chặt chẽ với hệ thống đồ họa máy tính. Các lý do quan trọng có thể
kể đến khi sử dụng hệ thống CAD là tăng hiệu quả làm việc cho người thiết
kế, tăng chất lượng thiết kế, nâng cao chất lượng trình bày thiết kế và tạo lập


6

cơ sở dữ liệu cho sản xuất. Các bước tiến hành một thiết kế với CAD: Tổng
hợp (xây dựng mô hình động học); phân tích tối ưu hóa (phân tích kỹ thuật);
trình bày thiết kế (tự động ra bản vẽ).
Mơ hình hình học
U

Mơ hình hình học là dùng CAD để xây dựng, biểu diễn tốn học dạng
hình học của đối tượng. Mơ hình này cho phép người sử dụng CAD biểu diễn
hình ảnh của đối tượng lên màn hình và thực hiện một số thao tác lên mơ hình
như: làm biến dạng hình ảnh, phóng to thu nhỏ, lập một mơ hình mới trên cơ
sở mơ hình cũ. Từ đó người thiết có thể xây dựng mơ hình một chi tiết mới
hoặc thay đổi mơ hình một chi tiết cũ. Có nhiều dạng mơ hình hình học trên
CAD, ngồi mơ hình 2D phổ biến, các mơ hình 3D có thể được xây dựng cho
phép người sử dụng quan sát vật thể từ nhiều hướng khác nhau, có thể phóng
to thu nhỏ, thực hiện các phân tích kỹ thuật như sức căng, lý hố và nhiệt độ.
Mơ hình lưới
U

Là mơ hình sử dụng các dạng đường để minh hoạ vật thể. Mơ hình này
có những hạn chế lớn là khơng có khả năng phân biệt các nét thấy và nét
khuất trong vật thể, không nhận biết được các dạng đường cong, khơng có
khả năng kiểm tra va chạm giữa các chi tiết bộ phận và khó khăn trong việc
tính tốn các đặc tính vật lý.

Mơ hình bề mặt
U
39T

Là mơ hình được xây dựng từ các điểm, các đường và các bề mặt. Mơ
39T

hình này có khả năng nhận biết và hiển thị các dạng đường cong phức tạp, có
khả năng nhận biết bề mặt và cung cấp mơ hình 3D có bề mặt bóng, có khả
năng hiển thị rất tốt mơ phỏng quỹ đạo chuyển động như chuyển động của
dụng cụ cắt của máy công cụ hoặc chuyển động của các rơbốt.
Mơ hình khối đặc
U
39T


7

Mơ tả hình dạng tồn khối của vật thể một cách rõ ràng và chính xác.
39T

Nó có thể mơ tả các đường thấy và đường khuất của vật thể. Mô hình này trợ
giúp đắc lực trong quá trình lắp ráp các phần tử phức tạp. Ngồi ra, mơ hình
này cịn có khả năng tạo mảng màu và độ bóng bề mặt. Hơn nữa, người sử
dụng có thể kết hợp với các chương trình phần mềm chuyên dụng khác để
biểu diễn mơ hình và tạo hình ảnh sống động cho vật thể.
Phân tích kỹ thuật mơ hình
U
39T

Sau khi có được phương án thiết kế, mơ hình CAD sẽ trợ giúp biểu
39T

diễn các đặc tính của chi tiết thực tế. Ví dụ về việc phân tích mơ hình là tính
tốn các đặc tính vật lý và phân tích phần tử hữu hạn. Tính tốn các đặc tính
vật lý bao gồm việc xác định khối lượng, diện tích bề mặt, thể tích và xác
định trọng tâm... Phương pháp phần tử hữu hạn nhằm tính tốn sức căng, độ
truyền nhiệt…
Đánh giá thiết kế
U
39T

Đánh giá thiết kế bao gồm: Tự động xác định chính xác các kích
39T

thước, xác định khả năng tương tác giữa các bộ phận. Điều này đặc biệt quan
trọng trong các thiết kế lắp ráp nhằm tránh hai chi tiết cùng chiếm một
khoảng không gian, kiểm tra động học. Điều này cần đến khả năng mô phỏng
các chuyển động của CAD.
Tự động phác thảo bản vẽ
U
39T

Lĩnh vực trợ giúp đắc lực thứ tư của CAD là khả năng tự động cho ra
39T

các bản vẽ với độ chính xác cao một cách nhanh chóng. Điều này rất quan
trọng trong q trình thiết kế và tạo lập hồ sơ thiết kế.
Ngày nay CAD được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khác nhau:
39T

Cơ khí, xây dựng, kiến trúc, điện - điện tử, y học, dệt may, thiết kế nhạc cụ...
Ở Việt Nam trong lĩnh vực cơ khí các phần mềm CAD phổ biến được
39T


8

sử dụng hiện nay là Autocad, Mechanical Destop, Inventor, Solidworks,
Catia, Pro/Engineer...
1.2.2 CAM (Computer-Aided Manufacturing)
39T

39T

CAM được định nghĩa là việc sử dụng máy tính trong lập kế hoạch,
39T

quản lý và điều khiển quá trình sản xuất. Các ứng dụng của CAM được chia
làm 2 loại chính: lập kế hoạch sản xuất và điều khiển sản xuất
- Lập kế hoạch sản xuất
39T

+ Ước lượng giá thành sản phẩm: Ước lượng giá của một loại sản phẩm
39T

mới là khá đơn giản trong nhiều ngành cơng nghiệp và được hồn thành bởi
chương trình máy tính. Chi phí của từng chi tiết, bộ phận được cộng lại sẽ xác
định được giá của sản phẩm.
+ Lập kế hoạch sản xuất với sự trợ giúp của máy tính: Các trình tự

39T

thực hiện và các trung tâm gia công cần thiết cho sản xuất một sản phẩm được
chuẩn bị bởi máy tính. Các hệ thống này sẽ cung cấp các quy trình cơng nghệ,
tìm ra quy trình tối ưu và tiến hành mơ phỏng kiểm nghiệm quy trình đã chọn.
+ Các hệ thống dữ liệu gia công máy tính hóa: Các chương trình máy
39T

tính cần được soạn thảo để đưa ra các điều kiện cắt tối ưu cho các loại ngun
vật liệu khác nhau. Các tính tốn dựa trên các dữ liệu nhận được từ thực
nghiệm hoặc tính toán lý thuyết về tuổi thọ của dao theo điều kiện cắt gọt.
+ Lập trình với sự trợ giúp của máy tính: Lập trình cho máy cơng cụ là
39T

cơng việc khó khăn, tiêu tốn thời gian cho người lập trình và gây ra nhiều lỗi
khi các chi tiết có hình dạng hình học phức tạp. Các phần post processor
được sử dụng rất có hiệu quả để thay thế việc lập trình bằng tay. Đối với các
chi tiết có hình dạng hình học phức tạp hệ thống CAM có thể đưa ra chương
trình gia cơng chi tiết nhờ phương pháp tạo ra tập lệnh điều khiển cho máy
cơng cụ có hiệu quả hơn hẳn so với lập trình bằng tay.
+ Dây chuyền lắp ráp với sự trợ giúp bằng máy tính: Việc định vị các
39T


9

phần tử trong các dây chuyền lắp ráp là vấn đề lớn và khó khăn. Các chương
trình máy tính như COMSOAL và CALB được phát triển để trợ giúp tối ưu
cho các dây chuyền lắp ráp.
+ Xây dựng các định mức lao động: Một bộ phận chuyên trách sẽ có

39T

trách nhiệm định mức thời gian cho các công việc lao động trực tiếp tại nhà
máy. Việc tính tốn này khá cơng phu và phức tạp, hiện đã có một số phần
mềm được phát triển cho công việc này. Các chương trình máy tính sử dụng
dữ liệu về thời gian chuẩn cho các phần tử cơ bản, sau đó cộng tổng thời
gian thực hiện của các phần tử và chương trình sẽ đưa ra thời gian chuẩn cho
cơng việc hồn chỉnh.
+ Lập kế hoạch sản xuất và quản lý tồn kho: Máy tính được sử dụng
39T

trong hai chức năng lập kế hoạch sản xuất và lưu trữ. Hai chức năng này bao
gồm ghi nhớ các bản ghi tồn kho, đặt hàng tự động các mặt hàng khi kho
rỗng, điều độ sản xuất, duy trì các đặc tính hiện tại cho các đơn đặt hàng sản
xuất khác nhau, lập kế hoạch nhu cầu nguyên vật liệu và lập kế hoạch năng
lực.
- Điều khiển sản xuất
39T

Điều khiển sản xuất liên quan tới việc quản lý và điều khiển các hoạt
39T

động sản xuất trong nhà máy. Điều khiển quá trình, điều khiển chất lượng,
điều khiển sản xuất và giám sát quá trình đều nằm trong vùng chức năng của
điều khiển sản xuất. Ở đây máy tính tham gia trực tiếp vào các hoạt động sản
xuất trong nhà máy. Các ứng dụng của điều khiển q trình sử dụng máy tính
là khá phổ biến trong các hệ thống sản xuất tự động hiện nay. Chúng bao gồm
các dây chuyền vận chuyển, các hệ thống lắp ráp, điều khiển số, kỹ thuật
rôbốt, vận chuyển nguyên vật liệu và hệ thống sản xuất linh hoạt.
Điều khiển hoạt động sản xuất phân xưởng liên quan tới việc thu nhập

39T

dữ liệu đó để trợ giúp điều khiển sản xuất và lưu trữ trong nhà máy. Các công


10

nghệ thu nhập dữ liệu máy tính hóa và giám sát q trình bằng máy tính đang
là phương tiện được đánh giá cao trong hoạt động sản xuất hiện nay.
1.2.3 CAE (Computer-Aided Engineering)
39T

39T

CAE là công nghệ sử dụng hệ thống máy tính để phân tích đối tượng
hình học CAD, cơng nghệ này cho phép người thiết kế mô phỏng, phân tích
và nghiên cứu cách ứng xử của sản phẩm một cách chính xác từ đó có thể tinh
chỉnh và tối ưu hóa sản phẩm. Các cơng cụ của CAE tương đối đa dạng đáp
ứng được cho nhiều nhu cầu phân tích sản phẩm khác nhau.
Trong cơng nghệ CAE người ta sử dụng 3 cơng cụ giải tích chính là
phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM), phương pháp
sai phân hữu hạn (Finite Difference Method - FDM) và phương pháp phần
tử biên (Boundary Element Method- BEM). Trong đó phương pháp phần tử
hữu hạn được sử dụng rộng rãi nhất.
1
NODAL SOLUTION
OCT 20 2010
14:43:59

STEP=1

SUB =1
TIME=120
SEQV
(AVG)
DMX =.030045
SMN =458926
SMX =.959E+09

MN

Z
Y
X

MX

458926

.214E+09
.107E+09

.427E+09
.320E+09

.640E+09
.533E+09

.853E+09
.746E+09

File: baitapthayLam

Hình 1.2. Mô phỏng ứng suất dùng phần mềm ANSYS

.959E+09


11

1
VECTOR
OCT 20 2010
14:45:55

STEP=1
SUB =1
TIME=120
U

X

.02003
.013353
.006677
0
.016692
.010015
.003338
File: baitapthayLam

Y
Z

.026706
.023368

.030045

Hình 1.3. Mơ phỏng chuyển vị dùng phần mềm ANSYS
Công nghệ CAE được ứng dụng trong các lĩnh vực sau:
U

- Phân tích ứng suất trên các chi tiết và trên các láp ráp bằng cách sử
dụng FEM.
- Phân tích dịng chảy và truyền nhiệt (CFD).
- Phân tích động học các cơ cấu.
- Mơ phỏng các trường hợp cơ khí (MES).
- Mơ phỏng các q trình cơng nghệ như đúc, dập...
- Tối ưu hóa sản phẩm hoặc q trình cơng nghệ.
Phân tích, tính tốn kỹ thuật với CAE với 3 pha như sau:
U

- Tiền xử lý: Dùng bộ tiền xử lý để soạn những thông số cần thiết để
giải thích, định nghĩa các phần tử hữu hạn trong model và các thông số vùng
biên, các thông số môi trường.
- Tiến hành thực hiện các giải pháp để mơ phỏng.
- Hậu xử lý: Phân tích hình ảnh hoặc các trị số do kết quả đưa ra từ bộ
hậu xử lý. Các lĩnh vực ứng dụng của CAE là cơ khí, điện, điện tử, kiến trúc,

12

hóa học... Tùy theo mỗi ngành mà ứng dụng của CAE và phần mềm chuyên
dụng khác nhau.
Một số phần mềm CAE chun dụng cho một số ứng dụng:
U

- Tính tốn phân tích kết cấu: MSC.Nastran, ANSYS, ABAQUS,
Amps, Mpact, CATIA Analysis, MSC.SIMDESIGNER, NX, ADVC.
- Tính tốn phân tích ứng lực: MSC.SIMDESIGNER, MSC.Fatigue,
ANSYS, CATIA Analysis, Amps, Abaqus.
- Tính tốn phân tích dao động, chấn động: Abaqus, ANSYS, MSC.
Nastran, CATIA Analysis, NX.
- Tính tốn phân tích xung kích, va đập: Pam-Crash, LS-DYNA,
ABAQUS, RADIOSS, Amps.
- Tính tốn phân tích dịng chảy: FLUENT, FLOW-3D, FloWizard,
STRAEM, PHOENICS, Pam-Flow, DYNAFLOW, ANSYS CFX, NX.
- Tính tốn phân tích điện từ trường: PHOTO-Series, MagNet6,
JMAG-Studio, Pam-Cem, ANSYS.
- Tính tốn phân tích động học cơ cấu: MSC.ADAMS, LMS
Virtual.Lab Motion, LMS DADS, FunctionBay RecurDyn, NX.
1.3 CNC (Computer Numerical Control)
Với sự phát triển mạnh của khoa học - công nghệ, đặc biệt là trong lĩnh
vực điều khiển số và tin học đã cho phép các nhà chế tạo máy ứng dụng vào
máy cắt kim loại các hệ thống điều khiển ngày càng tin cậy hơn với tốc độ xử
lý nhanh hơn và giá thành hạ hơn.
Điều khiển số với sự trợ giúp của máy tính (CNC) được ứng dụng trong
cơng nghiệp là một bước phát triển quan trọng của công nghệ chế tạo máy.
Trong chế tạo máy thì khâu gia cơng chi tiết có vai trị quan trọng đến chất
lượng và giá thành sản phẩm.

13

Một trong những thành tựu quan trọng nhất của tiến bộ khoa học - kỹ
0T

thuật là tự động hóa sản xuất. Phương thức cao của tự động hóa sản xuất là
sản xuất linh hoạt (dây chuyền mềm). Trong dây chuyền mềm sản xuất linh
hoạt thì máy cơng cụ điều khiển số CNC đóng một vai trị rất quan trọng. Sử
dụng máy công cụ điều khiển số cho phép giảm khối lượng gia cơng chi tiết,
nâng cao độ chính xác gia công và hiệu quả kinh tế, đồng thời cũng rút ngắn
được chu kỳ sản xuất. Chính vì vậy mà hiện nay nhiều nước trên thế giới đã
và đang ứng dụng rộng rãi các máy công cụ điều khiển số vào lĩnh vực cơ khí
chế tạo.
Để sử dụng các máy cơng cụ điều khiển số một cách có hiệu quả thì các
0T

nhà cơng nghệ khơng chỉ phải biết lập quy trình cơng nghệ với từng loạt chi
tiết bằng tay nhanh chóng và chính xác mà cịn phải biết sử dụng phần mềm
CAD/CAM để lập các chương trình cho các chi tiết có hình dạng phức tạp.
Trong mơi trường sản xuất, để đạt hiệu quả cao nhất thì kết hợp các
0T

máy CNC thành một tổ hợp khi đó có thể làm nhiều thao tác trên một bộ
phận. Máy CNC ngày nay được điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ được thiết
kế ở phần mềm CAM, vì thế một bộ phận hay lắp ráp có thể trực tiếp từ thiết
kế sang sản xuất mà không cần sử dụng các bản vẽ in của từng chi tiết. Có thể
nói CNC là các phân đoạn của các hệ thống robốt công nghiệp, tức là chúng
được thiết kế để thực hiện nhiều thao tác trong sản xuất.

Hiện nay các máy công cụ điều khiển số đang được sử dụng rộng rãi ở
0T

nước ta để chế tạo các chi tiết cơ khí, đặc biệt là chế tạo các khn mẫu chính
xác, các chi tiết vũ khí phục vụ cơng nghiệp quốc phịng. Ngồi ra các máy
cơng cụ điều khiển số CNC còn được dùng để đào tạo nghề nhằm cung cấp
nguồn nhân lực chất lượng cao cho sản xuất trong tương lai.


14

CAD
CAM

CNC

Hình 1.4. Mối quan hệ giữa CAD/CAM và CNC
Kết luận chương:
Công nghệ thiết kế ngược được dùng phổ biến không những trên thế
giới mà còn ở Việt Nam hiện nay vì xu hướng sản xuất tự động hóa. Các máy
CNC được kết hợp với nhau và tạo thành mạng lưới sản xuất linh hoạt FMS.
Với sự trợ giúp của các phần mềm CAD/CAM/CAE công nghệ CNC trở nên
vô cùng linh hoạt giúp các danh nghiệp thích ứng với các thay đổi nhanh
chóng và liên tục về mẫu mã và chủng loại sản phẩm của khách hàng


15

Chương 2
CÁC THIẾT BỊ VÀ PHẦN MỀM SỬ DỤNG TRONG

CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ NGƯỢC
2.1 Các thiết bị sử dụng trong công nghệ thiết kế ngược
Trong công nghệ thiết kế ngược thì cơng việc quan trọng là thu thập dữ
các liệu hình về dáng hình học của sản phẩm. Để có được các dữ liệu về hình
dáng hình học của sản phẩm phải cần đến các thiết bị lấy dữ liệu về hình dáng
hình học. Với cơng nghệ ngày nay sử dụng qt hình dạng sản phẩm. Cơng
nghệ qt hình dạng có hai phương pháp: Phương pháp quang học và phương
pháp cơ học.
2.1.1 Các thiết bị dùng phương pháp quang học
Phương pháp quang học là phương pháp dùng ánh sáng để quét lên bề
mặt vật thể bằng ánh sáng laser hoặc ánh sáng trắng. Cả hai loại thiết bị này
khi quét đều dùng phương pháp quét không tiếp xúc.
2.1.1.1 Thiết bị quét laser
Laser là từ viết tắt của cụm từ tiếng anh “Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation” nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ
cưỡng bức. Laser là loại ánh sáng có đặc tính đặc biệt, là loại sóng điện từ
nằm trong dãy ánh sáng có thể nhìn thấy được. Bản chất của chùm tia laser là
chùm ánh sáng đơn sắc có bước sóng xác định và góc phân kỳ rất nhỏ. Bước
sóng phụ thuộc vào vật liệu phát ra tia laser.
Các máy quét laser có thể đo các vật từ gần tới xa đến 35 mét, có thể
đạt độ chính xác khoảng 25 micron với khoảng cách 5 mét. Máy laser có thể
thu thập dữ liệu về các toạ độ với tốc độ cao và vận hành đơn giản. Đối với
các vật thể lớn như ô tô, xe máy … có thể dễ dàng nhanh chóng đo với máy
quét laser.


16

Máy quét laser hoạt động theo nguyên tắc bắn tia laser tới một mục tiêu
có tính phản hồi trên vật đo. Tia sáng phản hồi từ mục tiêu sẽ quay trở lại

điểm phát ra tại thiết bị đo. Tức là chùm tia laser từ máy chiếu vào vật thể sẽ
phản xạ lại cảm biến thu. Hình dạng của tồn bộ vật thể sẽ được ghi lại bằng
cách dịch chuyển đầu đo hay quay vật thể trong chùm ánh sáng ngang qua
vật. Độ chính xác và tốc độ đo của máy quét laser là điểm khác biệt khi so
sánh với các thiết bị đo toạ độ khác. Người sử dụng có thể nhanh chóng thực
hiện các phép đo với ít ngun công nhất, máy quét laser là một trong những
thiết bị đo được sử dụng phổ biến. Các phần mềm quét sẽ phân tích các dữ
liệu quét được và thể hiện kết quả dưới nhiều loại định dạng khác nhau.
Độ nhạy của thiết bị luôn là nhân tố quan trọng quyết định đến độ chính
xác của vật cần đo. Vì vậy máy quét hình 3D bằng laze được sử dụng phổ
biến. Nếu quét hình bằng máy quét laser lên cơ thể sống như con người cũng
không ảnh hưởng đến sức khoẻ hay làm ơ nhiễm mơi trường.
Máy qt laser Handy Scan
U

Hình 2.1. Máy quét laser Handy Scan
Dùng hiệu quả với các đối tượng có kích thước lớn và thiết bị qt
ATOS dùng ánh sáng whitelight dùng để quét các đối tượng vơ cùng nhỏ.
Nhờ vậy đối tượng cần được số hố thành file 3D được dựng lại rất nhanh.
Điểm hết sức đặc biệt là trong quá trình quét, đối tượng cần quét có thể cầm
nắm, di chuyển tự do mà độ chính xác đạt được vẫn cao. Chính nhờ đặc điểm