Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật cad cam trong thiết kế chế tạo khuôn mẫu chính xác

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

TRỊNH VĂN LONG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT CAD/CAM
TRONG THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHN MẪU CHÍNH XÁC

NGÀNH: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS TĂNG HUY

HÀ NỘI - 2007


2

LỜI CẢM ƠN

Với tình cảm chân thành tơi xin bày tỏ lòng biết ơn đến lãnh đạo trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội, trung tâm đào tạo sau đại học, Khoa cơ khí trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội và các thầy cô giáo đã tham gia giảng dạy và hướng dẫn tơi
trong suốt q trình học tập, nghiên cứu.
Đặc biệt tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Tăng Huy đã tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ tơi trong suốt q trình thực hiện để đi đến hồn thành bản luận
văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện, động
viên giúp đỡ tơi hồn thành bản luận văn này.

Do trình độ và thời gian có hạn nên bản luận văn khơng thể tránh khỏi những
thiếu sót. Rất mong được sự góp ý của thầy cô và đồng nghiệp để bản luận văn
được hoàn thiện hơn.

Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2007

Trịnh Văn Long


3

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN
CAD: Computer Aided-Design (Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính).
CAM: Computer Aided-Manufacturing (Gia cơng có sự trợ giúp của máy
tính).
CNC: Computer Numerical Control (Điều khiển số có sự trợ giúp của máy
tính).
CAE: Computer Aided Engineering (Trợ giúp kỹ thuật có sử dụng máy tính).
RPT: Rapid Prototyping Tool (Cơng nghệ tạo mẫu nhanh).
PC: Profesional Computer (Máy tính cá nhân).
DNC: Direct Numerical Control (Điều khiển số trực tiếp).
FEM: the Finite Element Method (Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn).
Cim: Computer Intergrated Manufacturing (Gia cơng tích hợp).
IGES: Intinitial Graphic Exchange Standard (Chuẩn trao đổi dữ liệu).
CAPP: Computer_Aided process Planning (Lập quy trình cơng nghệ có sự
trợ giúp của máy tính).
NC: (Điều khiển số).
MCU: Machine Centrl Unit (Bộ điều khển máy).
DPU: Data Processing Unit (Bộ phận xử lý dữ liệu).

CLU: Controlled Loops Unit (Bộ phận điều khiể lặp).
PTP: Point – To – Point (Điều khiển kiểu điểm - điểm).
APT: Automatically Programmed Tools (Công cụ lập trình tự động).
CL: Cutter location data file (Dữ liệu về vị trí dao).
GT: Groop Technology (Cơng nghệ nhóm).


4

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.......................................................................................... 8
Chương 1. Đặc điểm của nền công nghiệp chế tạo khuôn mẫu 10
1.1. Đặc điểm của quy trình chế tạo khn mẫu theo cơng nghệ truyền
thống............................................................................................................ 10
1.2. Đặc điểm của quy trình chế tạo khn mẫu theo công nghệ
CAD/CAM-CNC ........................................................................................ 10
1.3. Đặc điểm của công nghệ sản xuất khuôn mẫu ở Việt Nam ............ 11

Chương 2. Giới thiệu chung về các hệ thống CAD/CAM.............. 13
2.1. Giới thiệu chung.................................................................................. 13
2.1. Các định nghĩa về CAD, CAM và CAE............................................ 17
2.1.1. CAD.........................................................................................................17
2.1.2. CAM........................................................................................................18
2.1.3. CAE .........................................................................................................19

2.2. Các thành phần của hệ thống CAD/CAM/CAE .............................. 21
2.2.1. Phần cứng ...............................................................................................22
2.2.2. Cấu trúc của phần cứng .......................................................................22
2.2.3. Phần mềm ...............................................................................................22

2.3. Các hệ thống mô hình hóa hình học.................................................. 23
2.3.1. Hệ thống mơ hình khung dây ...............................................................24
2.3.2. Hệ thống mơ hình hố mặt....................................................................25
2.3.3. Hệ thống mơ hình hố khối rắn............................................................25
2.3.4. Khả năng cuả mơ hình hố lắp ghép....................................................26

2.4. Phân tích và mơ hình hố bằng phần tử hữu hạn .......................... 27
2.4.1. Giới thiệu về phân tích phần tử hữu hạn ............................................28
2.4.2. Mơ hình hố phần tử hữu hạn..............................................................29

2.5. Tích hợp CAD và CAM...................................................................... 30


5

2.5.1. Giới thiệu sơ lược về chu kỳ sản xuất ..................................................30
2.5.2. Lập quy trình cơng nghệ .......................................................................31

2.6. Điều khiển số NC ................................................................................ 36
2.6.1. Giới thiệu ................................................................................................36
2.6.2. Cấu hình phần cứng của máy công cụ NC ..........................................37
2.6.3. Các hệ thống NC ....................................................................................38
2.6.4. NC/CNC/DNC ........................................................................................39
2.6.5. Các khái niệm cơ bản về lập trình chi tiết...........................................40

2.7. Cơng nghệ nhóm ................................................................................. 46
2.7.1. Giới thiệu ................................................................................................46
2.7.2. Ưu điểm của cơng nghệ nhóm ..............................................................48

2.8. Kỹ thuật ảo .......................................................................................... 48

2.8.1. Định nghĩa về kỹ thuật ảo .....................................................................50
2.8.2. Các ứng dụng của kỹ thuật ảo ..............................................................50

Chương 3 Cơ sở thiết kế khuôn................................................... 54
3.1. Giới thiệu chung về khuôn mẫu tạo hình ........................................ 54
3.2. Khn cho sản phẩm nhựa ................................................................ 54
3.3. Cấu tạo chung của một bộ khuôn ép nhựa....................................... 57
3.4. Nguyên lý hoạt động của các bộ phận trong bộ khuôn................... 59
3.4.1 Tấm kẹp trước.........................................................................................59
3.4.2. Tấm khuôn trước ..................................................................................59
3.4.3. Tấm khuôn sau.......................................................................................60
3.4.4. Tấm kẹp sau ...........................................................................................60
3.4.5. Tấm đỡ ....................................................................................................61
3.4.6. Khối đỡ....................................................................................................61
3.4.7. Tấm giữ...................................................................................................62
3.4.8. Tấm đẩy ..................................................................................................62
3.4.9. Vòng định vị ...........................................................................................63


6

3.4.10. Chốt dẫn hướng ...................................................................................63
3.4.11. Bạc dẫn hướng .....................................................................................63
3.4.12. Hệ thống chốt hồi .................................................................................64
3.4.13. Chốt đẩy dùng để đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn khi mở..................64
3.4.14. Bạc dẫn hướng chốt .............................................................................65
3.4.15. Bạc cuống phun....................................................................................65

3.5. Các kiểu hệ thống đẩy trong khuôn .................................................. 65
3.5.1. Hệ thống đẩy dùng lưỡi đẩy..................................................................65

3.5.2. Hệ thống đẩy dùng ống đẩy ..................................................................66
3.5.3. Hệ thống đẩy dùng tấm đẩy..................................................................67
3.5.4. Hệ thống đẩy dùng khí nén ...................................................................67

3.6. Hệ thống làm nguội khuôn................................................................. 68
3.6.1. Các phương pháp làm nguội.................................................................68
3.6.2. Thiết kế hệ thống kênh làm nguội........................................................69
3.6.3. Thời gian làm nguội...............................................................................76

3.7. Hệ thống dẫn nhựa ............................................................................. 77
3.7.1. Cuống phun ( Sprue) .............................................................................78
3.7.2. Các kênh dẫn ( runners ).......................................................................80

Chương 4 Sử dụng phần mềm Cimatron E trong thiết kế và gia
công khuôn .................................................................................. 100
4.1. Giới thiệu chung về Cimatron ......................................................... 100
4.2. Thiết kế và gia công khuôn cho cặp sản phẩm thân và nắp ổ cắm
điện với sự trợ giúp của phần mềm Cimatron E .................................. 101
4.2.1. Tạo lập mơ hình chi tiết 3D trong môi trường Part Design
Wofkbench......................................................................................................101
4.2.3. Lắp ghép các chi tiết của ổ cắm trong môi trường Assembly Design
workbench ......................................................................................................104
4.2.4. Tạo lập bản vẽ kỹ thuật Drawing từ mơ hình chi tiết 3D ................106


7

4.2.5. Thiết kế khuôn cho sản phẩm trong môi trường Entering the Mold
Tooling Design Workbench của Cimatron E ..............................................106

4.3. Tạo lập chương trình gia cơng - Lập trình tự động cho các tấm
Core và Cavity.......................................................................................... 122

Chương 5 Sử dụng phần mềm Moldflow để trợ giúp trong q
trình thiết kế khn.................................................................... 134
5.1. Giới thiệu về Moldflow..................................................................... 134
5.2. Làm việc với môi trường Molflow Adviser .................................... 135
5.2.1. Gọi một mơ hình vào môi trường Molflow Adviser .........................135
5.2.2. Lựa chọn vật liệu nhựa để tạo hình sản phẩm..................................136
5.2.3. Phân tích mơ hình để lựa chọn vị trí đặt đậu rót phù hợp ..............137
5.2.4. Phân tích q trình rót nhựa..............................................................138

Phụ lục: Chương trình gia công CNC ...................................... 143
KẾT LUẬN .................................................................................. 158
KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ............ 159
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................ 160


8

MỞ ĐẦU
Ngày nay, sản phẩm nhựa đang được phát triển rất mạnh mẽ, và được ứng
dụng vào nhiều lĩnh vực phục vụ cho đời sống của con người. Công nghệ vật liệu
đang khai thác thế mạnh và tiện ích của vật liệu Polymer, Composist cũng như các
vật liệu nhựa khác nhằm tạo ra những sản phẩm, những chi tiết có khả năng thay thế
cho các vật liệu đắt tiền, khó chế biến. Những tính năng đặc biệt của vật liệu nhựa
như: nhẹ, bền, rẻ, dễ chế biến … đang được các nhà kỹ thuật khai thác một cách
triệt để. Chúng ta có thể thấy rằng, các sản phẩm nhựa chiếm tỷ lệ rất lớn trong các
dụng cụ sử dụng hàng ngày cũng như các thiết bị, công cụ sử dụng trong các lĩnh
vực khác nhau.

Với những ưu việt mà vật liệu nhựa mang lại, các nhà kỹ thuật đang ngày
càng tìm cách thay thế các chi tiết, dụng cụ đắt tiền bằng các sản phẩm nhựa có tính
năng sử dụng tương tự nhưng giá rẻ hơn và dễ chế tạo hơn.
Mặt khác công nghệ chế tạo các sản phẩm nhựa có chi phí thấp hơn và tạo ra
được các sản phẩm có độ phức tạp cao hơn.
Chu kỳ chế tạo các sản phẩm nhựa cũng nhanh hơn, không tốn các nguyên
công gia công cơ như các sản phẩm bằng vật liệu thép.
Để mang lại lợi nhuận cao, chất lượng sử dụng tốt, giá của sản phẩm rẻ, các
nhà kỹ thuật cũng như các nhà sản xuất đang tìm cách nâng cao năng suất, tìm tịi
nhiều loại vật liệu nhựa mới có tính năng sử dụng tốt, dễ chế biến. Một trong những
biện pháp nhằm đem lại những mục đích trên là có sự kết hợp của nhiều lĩnh vực
cơng nghệ như: công nghệ vật liệu, công nghệ tạo mẫu nhanh, cơng nghệ khn
mẫu, cơng nghệ máy tính...
Cơng nghệ khn mẫu đã được ứng dụng vào Việt Nam trong nhiều năm trở
lại đây, và đang phát triển rất mạnh mẽ trong các cơ sở sản xuất cũng như trong các
viện, các trường đại học.


9

Vấn đề đầu tư trang thiết bị, công nghệ cũng được đặt trong những vấn đề
then chốt cho công nghệ chế tạo khuôn như các máy CNC, các phần mềm
CAD/CAM, ...
Việc ứng dụng cơng nghệ thơng tin cho q trình phát triển sản xuất là rất
cần thiết. Khả năng hỗ trợ mạnh mẽ của máy tính trong việc thiết kế, chế tạo khuôn
đã và đang được ứng dụng rất rộng rãi trong tất cả các công đoạn chế tạo nhằm tạo
ra những sản phẩm phức tạp, độ chính xác cao và rút ngắn thời gian sản xuất.
Khả năng sử dụng công nghệ RPT trong công nghệ khuôn mẫu cũng là một
thế mạnh đối với các nhà sản xuất nhằm đưa ra các mẫu mới một cách nhanh chóng
mà khơng cần phải chế tạo khuôn hoặc các công đoạn gia công cắt gọt.

10

Chương 1. Đặc điểm của nền công nghiệp chế tạo khn
mẫu
1.1. Đặc điểm của quy trình chế tạo khn mẫu theo công nghệ
truyền thống
Theo công nghệ này các chi tiết được thiết kế trên các bản vẽ kỹ thuật.
Mẫu sản phẩm được làm thủ cơng rất khó chính xác.
Quy trình công nghệ được các kỹ thuật viên vạch ra trong các tài liệu sản
xuất, các hồ sơ kỹ thuật.
Quá trình gia công được thực hiện trên các máy công cụ truyền thống.
Nhược điểm:
Khó đạt được độ chính xác gia cơng.
Thời gian tạo mẫu sản phẩm lâu, khơng chính xác.
Gặp nhiều khó khăn trong q trình thiết kế, gia cơng các chi tiết phức tạp.
Tốn nhiều thời gian trong việc chỉnh sửa bản thiết kế cũng như xử lý các lỗi
thiết kế sau khi gia cơng.
Quy trình sửa chữa lịng vịng, mất nhiều thời gian do có sự rời rạc giữa các
khâu trong q trình sản xuất.
u cầu bậc thợ có tay nghề cao.
Thời gian lắp ghép khuôn cũng như chỉnh sửa khuôn tốn nhiều thời gian.

1.2. Đặc điểm của quy trình chế tạo khn mẫu theo cơng nghệ
CAD/CAM-CNC
Với sự trợ giúp của cơng nghệ CAD/CAM-CNC các nhà sản xuất có thể chế
tạo được các loại khuôn cho các chi tiết phức tạp, có độ chính xác cao.
Theo cơng nghệ này, các chi tiết, các bề mặt cũng như các mô hình cần tách
khn sẽ được thiết kế trên các hệ thống CAD. Các hệ thống CAD có khả năng đáp

ứng được vấn đề này như: SolidWorks, Inventor, CADmold, ...
Một phần mềm CAE sẽ là công cụ hỗ trợ rất mạnh mẽ trong việc tính tốn,
phân tích các yếu tố cần thiết cho việc tách khn như độ co ngót, khả năng điền


11

đầy của vật liệu, nhiệt độ khuôn, độ bền của sản phẩm, phân tích hệ thống làm mát
trong khn, ... Có rất nhiều phần mềm CAE trợ giúp kỹ thuật cho việc phân tích
này như: Moldflow, Moldex3D, Ansys, Adam,...
Các dữ liệu CAD này sẽ được sử dụng để tạo lập các quỹ đạo đường cắt trên
máy tính trong các phần mềm CAM như MasterCAM, EdgCAM, SurfCAM, ... Với
phần mềm CAM, các quỹ đạo dụng cụ sẽ được tính tốn và tạo lập một cách tự
động, qúa trình gia cơng sẽ được mơ phỏng trên máy tính giúp kỹ thuật viên có thể
kiểm tra được các va chạm giữa dao và chi tiết trong q trình gia cơng cũng như
việc lựa chọn chế độ cắt tối ưu để tạo ra các sản phẩm có độ chính xác, độ bóng cần
thiết.
Sử dụng các phần mềm tích hợp CAD/CAM/CAE sẽ rất tiện lợi trong việc
quản lý dữ liệu, giảm thời gian thiết kế, thời gian chỉnh sửa cũng như giảm được chi
phí đầu tư cho các phầm mềm trợ giúp.
Q trình gia cơng thực tế trên các máy CNC sẽ được thực hiện khi có lệnh
điều khiển trực tiếp từ phần mềm CAM hoặc từ dữ liệu của phầm mềm CAM thông
qua công cụ Post-Processor để đưa ra các câu lệnh điều khiển máy CNC từ dữ liệu
đồ hoạ.
Các máy CNC có trang bị máy PC sẽ mở rộng khả năng quản lý q trình gia
cơng và khả năng lưu trữ chương trình gia công cũng như các dữ liệu về dao, máy,
các thư viện, ...

1.3. Đặc điểm của công nghệ sản xuất khn mẫu ở Việt Nam
Có thể thấy được các thiết bị, đồ dùng, cũng như các công cụ sản xuất làm từ

sản phẩm nhựa có mặt ở hầu hết các lĩnh vực của đời sống xã hội.
Với nhu cầu ngày càng tăng các sản phẩm nhựa về kiểu dáng và hình thức
cũng như độ phức tạp của sản phẩm, ngành công nghiệp sản xuất khuôn mẫu cũng
đang phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu của thị trường trong nước và quốc tế.
Qua khảo sát thị trường sản xuất khn mẫu trong nước, có thể nhận thấy
rằng thị trường sản xuất khuôn mẫu cũng đang rất sôi động và đang phát triển theo


12

hướng CAD/CAM/CNC như cơng ty nhựa Hà Nội, kim khí Thăng Long, viện máy
IMI,...Các doanh nghiệp tư nhân cũng đã đầu tư rất mạnh trong lĩnh vực này.
Song song với sự phát triển đó, nhiều nhà cung cấp đã đặt văn phòng đại
diện hoặc đầu tư vào Việt Nam để cung cấp các giải pháp về CAD/CAM-CNC như
Việt CAD, công ty Thiên tử, công ty Antong, Bach Khoa Mechatronics, ...
Đã có những hướng nghiên cứu, ứng dụng để tận dụng được thời gian phun
nhựa, giảm lượng nhựa phế thải, giúp cho hệ thống phun được liên tục như sử dụng
hệ thống dẫn nóng (hot runer).
Cũng đã có các cơng ty phát triển theo hướng cung cấp toàn bộ các loại vỏ
khuôn tiêu chuẩn cho các công ty sản suất khuôn mẫu khác nhằm rút ngắn thời gian
sản xuất khuôn, nhanh chóng đưa các bộ khn mẫu vào sản xuất ra sản phẩm.
Tuy nhiên, cũng còn rất hạn chế ở cả vấn đề công nghệ và con người.
Các công ty sản xuất vẫn cịn thiếu những máy móc thiết bị cao như: máy
CNC nhiều trục, máy tạo mẫu nhanh, các phần mềm tích hợp, máy Scan 3D, ...
Vấn đề con người trong vận hành, điều khiển, các thiết bị công nghệ cao
cũng như việc tiếp cận với các phần mềm tích hợp cịn rất hạn chế và khơng được
đào tạo một cách bài bản.
Do đó, chưa thể chế tạo được những bộ khn địi hỏi độ phức tạp, độ bền
cao. Chu kỳ sản xuất một bộ khn cịn tốn nhiều thời gian. Hầu hết những bộ
khuôn này đều được đặt sản xuất tại nước ngoài như Trung Quốc, Nhật Bản,...

Trong tài liệu này tác giả mạnh dạn đưa ra một giả pháp CAD/CAM/CAECNC cho việc thiết kế, chế tạo khuôn mẫu theo hướng sử dụng cơng cụ máy tính
trong hầu hết các bước của quá trình thiết kế, chế tạo.


13

Chương 2. Giới thiệu chung về các hệ thống CAD/CAM
2.1. Giới thiệu chung
Công nghiệp ngày nay không thể tồn tại với sự cạnh tranh trên toàn thế giới
trừ khi họ đưa ra các sản phẩm mới có chất lượng tốt hơn, giá cả thấp hơn và thời
gian chế tạo ngắn hơn. Vì vậy, họ phải cố gắng sử dụng khả năng bộ nhớ lớn, tốc độ
xử lý nhanh và khả năng giao diện đồ hoạ dễ sử dụng của máy tính để tự động hố
và phải kết hợp với các công việc sản xuất hoặc kỹ thuật riêng rẽ không hiệu quả
khác. Như vậy sẽ làm giảm thời gian và giá thành của sản phẩm.
Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính (CAD), gia cơng có sự trợ giúp của máy
tính (CAM), và trợ giúp kỹ thuật (CAE) là các kỹ thuật sử dụng cho mục đích trên
trong chu kỳ sản xuất. Vì vậy để hiểu được vai trị của CAD, CAM, CAE, chúng ta
cần xem xét các hoạt động và chức năng khác nhau phải được hoàn thành trong
thiết kế và chế tạo một sản phẩm. Các hoạt động và chức năng đó được nói đến như
là chu kỳ sản xuất. Chu kỳ đó được miêu tả trong sơ đồ sau.


14

Như vậy chu kỳ sản xuất bao gồm hai phần chính
- Q trình thiết kế
- Q trình gia cơng
Q trình thiết kế bắt đầu từ nhu cầu của khách hàng.
Quá trình gia cơng bắt đầu từ các đặc tính thiết kế.

15

Các hoạt động trong q trình thiết kế có thể được chia làm hai phần lớn là
tổng hợp và phân tích.
Q trình tổng hợp bao gồm các hoạt động như: nhận biết sự cần thiết của
thiết kế, biểu diễn các đặc tính của thiết kế, nghiên cứu tính khả thi của các thơng
tin của thiết kế có liên quan và thiết kế dựa trên các khái niệm.
Một khi bản thiết kế được phát triển, q trình phân tích được bắt đầu với
việc phân tích và tối ưu hố bản thiết kế như: di chuyển các chi tiết không cần thiết,
giảm bớt các kích thước, chấp nhận và sử dụng sự cân đối hình học. Tuỳ thuộc vào
các đặc tính sử dụng của sản phẩm mà q trình phân tích có thể tập trung vào các
vấn đề chính như: phân tích ứng suất để kiểm tra bền của sản phẩm, việc phân tích
kiểm tra tác động để kiểm tra va chạm giữa các chi tiết trong quá trình lắp ghép...
Một khi bản thiết kế đã được hoàn thành, sau khi tối ưu hố hoặc cân đối một
số độ chính xác, giai đoạn thiết kế bắt đầu. Công việc chế tạo mẫu cũng có thể được
tiến hành. Ngày nay cơng nghệ chế tạo mẫu khơng cịn là vấn đề khó khăn đối với
kỹ thuật nhờ công nghệ tạo mẫu nhanh. Công nghệ tạo mẫu nhanh xây dựng nên
các mẫu bằng việc xếp các lớp vật liệu mẫu từ đáy tới đỉnh. Vì vậy phương pháp tạo
mẫu nhanh có thể xây dựng nên các mẫu trực tiếp từ dữ liệu CAD của bản thiết kế.
Nếu đánh giá bản thiết kế trên mẫu nhanh chỉ định mà chưa đạt yêu cầu, quá
trình được lặp lại với bản thiết kế mới. Khi đánh giá bản thiết kế đạt yêu cầu, tài
liệu thiết kế được chỉnh lý.
Theo công nghệ truyền thống, tài liệu thiết kế dưới dạng bản vẽ kỹ thuật sẽ
được đưa đến nơi sản xuất.
Theo cơng nghệ CAD/CAM, q trình gia cơng cũng bắt đầu với việc lập kế
hoạch sản xuất, sử dụng dữ liệu bản vẽ từ quá trình thiết kế và kết thúc với sản xuất
thực tế. Lập kế hoạch sản xuất cũng bao gồm các cơng đoạn như lập quy trình cơng
nghệ, chọn máy, chọn vật liệu, lập chương trình gia công, thiết kế đồ gá. Mối quan
hệ giữa lập qui trình cơng nghệ và q trình sản xuất tương tự nhau và đó là tổng

hợp của q trình thiết kế và gia cơng, địi hỏi phải có kinh nghiệm và độ chính xác.


16

Một khi lập qui trình cơng nghệ được hồn tất, sản phẩm được sản xuất và
được kiểm tra theo các yêu cầu chất lượng.
Các chi tiết đã qua quá trình kiểm tra chất lượng sẽ được lắp ghép, kiểm tra
chức năng, đóng gói, dán nhãn và chở tới khách hàng.
Trong quá trình tổng hợp người thiết kế phải lựa chọn tốt thơng tin về thiết
kế có liên quan để nghiên cứu tính khả thi bằng cách sử dụng định dạng dữ liệu và
việc sủ dụng cataloge để có thể điều khiển được thông tin về chất lượng của sản
phẩm. Chúng ta cũng khơng dễ dàng hình dung được cách sử dụng máy tính trong
q trình thiết kế vì máy tính chưa phải là cơng cụ mạnh cho q trình thiết kế, tạo
lập thơng minh. Mơ hình hố tham số hoặc khả năng lập trình Macro của hệ thống
Computer-Aided-Drafting, hoặc mơ hình hố hình học có thể sử dụng trong cơng
việc thiết kế là các đặc trưng của phần mềm CAD.
Chúng ta có thể sử dụng máy tính trong q trình phân tích ban đầu của q
trình thiết kế. Thực tế, nhiều phần mềm có thể sử dụng trong việc phân tích, kiểm
tra, phân tích động học... những phần mềm này được gọi là CAE.
Vấn đề đặt ra với phần mềm CAE là việc cung cấp mơ hình phân tích. Sẽ
khơng có vấn đề gì nếu mơ hình phân tích được thực hiện tự động dựa trên khái
niệm thiết kế. Tuy nhiên, mơ hình phân tích khơng giống với việc thiết kế khái niệm
nhưng được thực hiện bằng cách giảm bớt các kích thước. Mức độ thích hợp của
phần giảm đi là khác nhau, nó phụ thuộc vào yêu cầu phân tích và độ chính xác. Vì
vậy rất khó để có thể tự động hố q trình giảm đi này, theo đó các mơ hình phân
tích thường được tạo lập tách biệt nhau. Đó là cách làm thơng dụng để tạo lập hình
dạng lý thuyết của mơ hình thiết kế bằng việc sử dụng một hệ thống vẽ có sự trợ
giúp của máy tính hoặc một hệ thống mơ hình hố hình học hoặc đơi khi sử dụng
khả năng xây dựng bên trong của các gói phần mềm phân tích. Các gói phần mềm

CAE thường cần đến cấu trúc được thể hiện bởi việc bố trí các lưới liên kết bên
trong và được máy tính quản lý thành các vùng dữ liệu. Nếu gói phần mềm phân
tích được sử dụng có khả năng tạo lập các lưới này một cách tự động, phần mềm đó
sẽ cần thiết để tạo lập hình dạng đường bao. Tuy nhiên các lưới cũng phải được tạo


17

lập bởi người sử dụng hoặc tự động bởi phần mềm. Việc tạo ra các lưới này được
gọi là mô hình phần tử hữu hạn. Mơ hình phần tử hữu hạn cũng bao gồm các điều
kiện biên xác định và các điều kiện bên ngoài.
Nếu chúng ta cần một mẫu thiết kế, chúng ta có thể tạo ra một mẫu thiết kế
được sử dụng bởi các gói phần mềm được kết nối với một máy tạo mẫu nhanh. Các
gói phần mềm này cũng được gọi là CAM. Dĩ nhiên hình dạng mẫu tạo ra với công
nghệ cao trong một loại dữ liệu tương ứng với hình dạng được tạo lập bởi mơ hình
hố hình học. Thậm chí có thể làm tốt hơn bằng cách tạo mẫu nhanh ảo, thường
được gọi là digital mock-up, mẫu nhanh ảo cũng cung cấp cho chúng ta các thông
tin tương tự như mẫu thực khi các cơng cụ phân tích được sử dụng trong q trình
tạo mẫu trở nên đủ mạnh. Vì vậy các mẫu nhanh ảo sẽ có khuynh hướng thay thế
các mẫu thực.
Phần cuối cùng của quá trình thiết kế là tạo hồ sơ thiết kế. Các hệ thống máy
tính có khả năng lưu trữ và quản lý hồ sơ thiết kế.
Công nghệ máy tính cũng được sử dụng trong q trình gia cơng. Q trình
gia cơng bao gồm các hoạt động của việc lập kế hoạch sản xuất, thiết kế và chuẩn bị
dao cụ, vật liệu, lập trình NC, điều khiển máy CNC, điều khiển chất lượng và đóng
gói. Các gói phần mềm này được gọi là CAM.

2.1. Các định nghĩa về CAD, CAM và CAE
2.1.1. CAD
Là thuật ngữ viết tắt của Computer-Aided Design

Là kỹ thuật liên quan đến việc sử dụng các hệ thống máy tính để trợ giúp
trong việc tạo lập, hiệu chỉnh, phân tích và tối ưư hố một bản thiết kế.
Vì vậy bất kỳ chương trình máy tính nào như là đồ hoạ máy tính và một
chương trình ứng dụng các chức năng dễ lập trình trong quá trình thiết kế được gọi
là CAD.
Các cơng cụ CAD có thể thay đổi từ các cơng cụ hình học để điều khiển hình
dạng đến việc tạo các chương trình ứng dụng theo yêu cầu của khách hàng, cũng
như việc phân tích và tối ưu hố.


18

Các cơng cụ này bao gồm việc phân tích dung sai, tính khối lượng, mơ hình
phần tử hữu hạn và hiển thị kết quả phân tích.
Các vai trị cơ bản nhất của CAD có thể được nói đến như: thiết kế, mơ hình
hố hình học, thiết kế chi tiết máy, tạo bản vẽ sơ đồ mạch điện, kiến trúc, ...
Mặt khác các đối tượng hình học được tạo lập bởi các hệ thống CAD có thể
được sử dụng như là cơ sở để hình thành nên các chức năng khác trong các hệ thống
CAE và CAM. Đây là một trong những lợi ích lớn nhất của CAD vì nó có thể lưu
trữ và định nghĩa lại mỗi khi cần thiết.
2.1.2. CAM
Là thuật ngữ viết tắt của Computer-Aded Manufacturing
Là công nghệ liên quan đến việc sử dụng các hệ thống máy tính để lập kế
hoạch, quản lý và điều khiển các hoạt động sản xuất thông qua giao diện trực tiếp
hoặc gián tiếp của máy tính với các thiết bị sản xuất của nhà máy.
Một trong những phạm vi ứng dụng thành công nhất của CAM là điều khiển
số hoặc NC.
Kỹ thuật NC sử dụng các câu lệnh được lập trình để điều khiển máy công cụ
như: máy tiện, máy mài, máy phay, đột lỗ...
Máy tính có thể tạo ra một khối lượng lớn các câu lệnh NC dựa trên dữ liệu

hình học từ định dạng dữ liệu CAD cộng với các thơng tin phụ cho q trình gia
cơng.
Chức năng quan trọng khác của CAM là lập trình rơ bốt để có thể làm việc
trong các dây truyền sản xuất, lựa chọn và định vị dao cụ, phôi cho các máy NC.
Ngồi ra các rơ bốt cịn có thể thực hiện được các công việc khác như: hàn hoặc lắp
ghép hoặc di chuyển các chi tiết....
Lập kế hoạch sản xuất cũng là mục đích của việc tự động hố có sự trợ giúp
của máy tính. Lập kế hoạch sản xuất có khả năng xác định một cách tuần tự và chi
tiết các bước sản xuất cần thiết để tạo ra một bộ phận chi tiết từ lúc bắt đầu đến lúc
kết thúc. Thậm chí việc lập kế hoạch sản xuất một cách tự động và đầy đủ là có thể


19

thực hiện được và có thể được tạo lập nếu kế hoạch sản suất cho một chi tiết tương
tự đã có.
Để thực hiện mục đích này, cơng nghệ nhóm đã được phát triển để tổng hợp
các chi tiết tương tự nhau thành một họ, nhóm. Các chi tiết được phân loại tương tự
nhau nếu chúng có các đặc tính gia cơng chung như: rãnh, hốc, lỗ,...Do đó để phát
hiện một cách tự động sự giống nhau giữa các chi tiết, định dạng dữ liệu CAD phải
chứa đựng các thông tin về các đặc tính đó. Cơng việc này được thực hiện thành
cơng bởi việc sử dụng các mơ hình hố dựa trên các đặc tính hoặc thừa nhận các
đặc tính.
2.1.3. CAE
Là thuật ngữ viết tắt của Computer – Aded Engineering
Là kỹ thuật liên quan đến việc sử dụng các hệ thống máy tính để phân tích
đối tượng hình học CAD. Nghiên cứu cách thức hoạt động của sản phẩm, người
thiết kế có thể điều chỉnh và tối ưu hố q trình. Các cơng cụ CAE được ứng dụng
rất rộng lớn. Ví dụ: có thể sử dụng CAE để xác định các đường chuyển động và các
chuyển động liên kết trong các chi tiết máy, có thể phân tích động sự chuyển vị có

thể được sử dụng để xác định tải trọng và chuyển vị trong các lắp ghép phức tạp
như là các thiết bị tự động, có thể mơ phỏng thời gian và mô phỏng hoạt động của
các mạch điện tử phức tạp.
Phần lớn các phương pháp sử dụng trong việc phân tích kỹ thuật trong máy
tính là phương pháp phần tử hữu hạn FEM (the Finite Element Method).
Phương pháp phần tử hữu hạn cũng được sử dụng để xác định ứng suất biến
dạng, truyền nhiệt, mô tả từ trường, dịng chất lỏng và các vấn đề mơi trường liên
tục khác.
Trong phân tích phần tử hữu hạn, cấu trúc được mơ tả bằng một mơ hình
phân tích được tạo nên từ các thành phần bên trong liên kết, các thành phần này
được phân chia thành các phần được quản lý bởi máy tính.


20

Nhiều phần mềm cũng có khả năng tối ưu hố thiết kế, mặc dù cơng cụ tối
ưu hố thiết kế có thể được xem như các cơng cụ CAE, chúng cũng được phân loại
theo các cách thông dụng.
Ưu điểm của việc tối ưu hố và phân tích thiết kế là cho phép người kỹ thuật
nhìn thấy trước được quy cách làm việc của sản phẩm do đó sẽ làm giảm đi các lỗi
trước khi tiến hành sản xuất, và giảm được phí tổn về mặt thời gian cũng như xây
dựng và kiểm tra các lỗi vật lý.
CAD/CAM/CAE được xem như các chức năng tự động đặc biệt của chu kỳ
sản xuất và làm cho chúng hiệu quả hơn, vì chúng được phát triển độc lập, chúng
khơng có đầy đủ vai trị của việc tích hợp các hoạt động thiết kế và gia công của chu
kỳ sản xuất.
Công nghệ mới CIM có thể giải quyết được vấn đề tích hợp này.
2.1.4. Sử dụng hệ thống CAD/CAM/CAE để phát triển sản phẩm
Chúng ta có thể nêu ra một ví dụ cụ thể cho việc sử dụng hệ thống
CAD/CAM/CAE trong việc phát triển sản phẩm.

Giả sử công việc của chúng ta là thiết kế và gia cơng khn cho một sản
phẩm nhựa.
Q trình thiết kế được thực hiện với hệ thống CAD.
Bước tiếp theo trong chu kỳ sản phẩm là phân tích thiết kế. Mơ hình phân
tích được xử lý bởi bộ tiền sử lý CAE.
Khởi động phân tích phần tử hữu hạn trên mơ hình phân tích chúng ta có thể
kiểm tra được điều kiện bền của sản phẩm. Chúng ta cũng có thể chạy chương trình
mơ phỏng để kiểm tra dịng nhựa nóng sẽ chảy vào hốc của khn ép nhựa. Nếu kết
quả mơ phỏng cho chúng ta thấy sẽ có vấn đề với dịng chảy trong khn chúng ta
cần hiệu chỉnh lại.
Thiết kế khuôn ép nhựa, chế tạo khuôn và đẩy sản phẩm.
Từ dữ liệu mơ hình thiết kế được tạo lập bởi phần mềm CAD, lõi và hốc
được thiết kế bởi hệ thống mơ hình hố hình học có mục đích chung hoặc tạo lập tự
động bởi hệ thống thiết kế khuôn đặc biệt


21

Từ dữ liệu hình học của lõi và hốc, một bộ khn thích hợp có thể được lựa
chọn từ cơ sở dữ liệu chứa đựng các bộ khuôn tiêu chuẩn. Sau đó miệng rót, kênh
dẫn nhựa, hệ thống làm mát và các thành phần khác của bộ khuôn được thiết kế và
được đặt vào bộ khn tại vị trí thích hợp. Chúng ta có thể chạy mơ phỏng lại
chương trình để dự đốn dịng chảy cho chính xác hơn, chúng ta cũng có thể chạy
phân tích sự tản nhiệt để mơ phỏng thiết kế của kênh làm mát.
Để hồn thiện thiết kế khuôn, phần mềm CAM được sử dụng để tính tốn
các đường cắt NC cần thiết để gia cơng các tấm Cavity và Core.
Khi q trình gia cơng cần thiết đã được hồn thành bộ khn được ghép lại
và được sử dụng cho quá trình ép nhựa. Ở đây chúng ta cũng có thể q trình phân
tích để mơ phỏng xác định các điều kiện khác của khuôn giúp chúng ta có thể xử lý
tốt hơn bản thiết kế như: Nhiệt độ khuôn, áp lực ép, nhiệt độ nhựa.

2.2. Các thành phần của hệ thống CAD/CAM/CAE
Một hệ thống CAD/CAM/CAE bao gồm các phần sau:


22

2.2.1. Phần cứng
Một thiết bị đồ hoạ bao gồm một bộ xử lý trung tâm và thiết bị hiển thị, các
thiết bị nhập và xuất dữ liệu.
Màn hình có chức năng hiển thị hình ảnh. Bộ xử lý màn hình có chức năng
định vị hình ảnh trên màn hình.
Các thiết bị nhập dữ liệu bao gồm: chuột, bàn phím, các loại ổ đĩa...
Các thiết bị nhập dữ liệu giúp cho việc nhập và điều khiển dữ liệu dễ dàng
hơn, theo đó người sử dụng sẽ nhập dữ liệu trực tiếp vào máy tính.
Các thiết bị xuất dữ liệu như: máy in, máy vẽ...các thiết bị dữ liệu giúp cho
việc chia sẻ dữ liệu với các thiết bị khác.
2.2.2. Cấu trúc của phần cứng
Các thiết bị đồ hoạ nêu trên thường không được sử dụng như một đơn vị
riêng lẻ. Chúng được kết hợp với nhau tạo thành một hệ thống đồ hoạ.
Thường có 3 phần cơ bản.
Phần thứ nhất bao gồm một khung máy tính và các thiết bị đồ hoạ.
Phần thứ 2 bao gồm các trạm kỹ thuật được kết nối với nhau trong môi
trường mạng sản xuất.
Phần thứ 3 giống phần thứ 2 chỉ khác là các trạm kỹ thuật được thay thế bằng
các máy tính cá nhân.
2.2.3. Phần mềm
Phần mềm CAD cho phép người thiết kế tạo lập và điều khiển một tương tác
đồ hoạ trên màn hình và lưu trữ nó trong một định dạng dữ liệu.
Tuy nhiên, thông thường bất kỳ phần mềm nào cũng có thể dễ dàng thực

hiện q trình thiết kế và có thể xem như một phần mềm CAD.
Tương tự, bất kỳ một phần mềm nào được sử dụng để thực hiện dễ dàng q
trình gia cơng của chu kỳ sản phẩm cũng được coi như phần mềm CAM. Điều này
có nghĩa rằng, bất kỳ phần mềm nào liên quan đến việc lập kế hoạch, quản lý và
điều hành các hoạt động sản xuất của nhà máy, trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua


23

giao diện của máy tính với nguồn lực của nhà máy cũng có thể xem như phần mềm
CAM.
Phần mềm CAE được sử dụng để phân tích các đối tượng hình học của bản
thiết kế, cho phép người thiết kế mô phỏng và nghiên cứu cách thức hoạt động của
sản phẩm. Như vậy bản thiết kế có thể được định nghĩa lại và được tối ưu hoá.
Một số phần mềm CAD, CAM, CAE.
Các phần mềm CAD cho các ứng dụng 2D có: AutoCAD của hãng
AutoDesk, CADAM của hãng CADAM, ...
Các phần mềm CAD cho các ứng dụng mơ hình hố 3D có: Inventor của
hãng AutoDesk, SolidWorks của cơng ty SolidWorks, Solid Edge của cơng ty
Intergraph, ...
Các phần mềm CAM có MasterCAM của công ty phần mềm CNC Software,
PowerMill của hãng DelCAM,...
Các phần mềm CAE có: Moldflow của tập đồn Moldflow Pty, Ansys của
tập đồn Swanson Analysis Systems,...
Các phần mềm tích hợp có: Pro/engineer của cơng ty PTC, CATIA của hãng
Dassault Systems, Cimatron, ...

2.3. Các hệ thống mơ hình hóa hình học
Q trình thiết kế có thể được thực hiện thơng qua việc chi tiết hố hình dạng
chi tiết của người thiết kế. Như vậy phần mềm CAD là công cụ để dễ dàng thực

hiện q trình chi tiết hố này.
Các phần mềm CAD có thể được chia làm 2 nhóm
-

Computer-Aided Drafting system

Hệ thống này cho phép người thiết kế thực hiện ý tưởng thiết kế bằng cách
điều khiển hình dạng theo 2 kích thước (2D).
-

Geometric Modeling System.

Hệ thống này cho phép người thiết kế điều khiển quá trình thiết kế theo 3
kích thước (3D).


24

Cơng việc thiết kế đã có từ rất lâu khi con người thể hiện ý tưởng thiết kế
bằng các vật liệu như đất sét, và trình bày ý tưởng với nhau thông qua các mẫu thật.
Tuy nhiên, đối với các mẫu phức tạp rất khó thể hiện, các yêu cầu chính xác
về kích thước rất khó đạt được, việc thể hiện các chi tiết rỗng bên trong rất khó thể
hiện.
Khi đã xuất hiện khái niệm vẽ kỹ thuật, thì các bản vẽ sẽ thể hiện bằng lời
các ý tưởng thiết kế của người thiết kế.
Các hệ thống mơ hình hố hình học đã và đang khắc phục các vấn đề phải
đối mặt với việc sử dụng các mơ hình vật lý trong quá trình thiết kế. Các hệ thống
này cung cấp môi trường tương tự như môi trường mà trong đó mơ hình vật lý được
tạo lập và được điều khiển tự nhiên. Nói cách khác, việc sử dụng hệ thống mơ hình
hố hình học, người thiết kế làm biến dạng, cộng, trừ vật liệu của mơ hình ảo trong

q trình biểu diễn chi tiết hố vật thể. Mơ hình ảo trơng giống hệt mơ hình vật lý,
nhưng rất khó hiểu. Tuy nhiên mơ hình 3D đã kèm theo các mơ tả tốn học và các
phần tử hữu hạn cần thiết cho việc đo lường, tạo mẫu hoặc sản xuất hàng khối.
Các hệ thống mơ hình hố hình học có thể được phân chia thành:
-

Các hệ thống mơ hình khung dây

-

Các hệ thống mơ hình mặt

-

Các hệ thống mơ hình khối rắn

-

Các hệ thống mơ hình Nonmanifold

2.3.1. Hệ thống mơ hình khung dây
Hệ thống mơ hình khung dây biểu diễn vật thể bởi các đường và các điểm.
Hệ thống này sử dụng các đường và các điểm để biểu diễn vật thể 3 chiều và cho
phép điều khiển vật thể bởi việc hiệu chỉnh các đường, điểm. Mơ hình này biểu diễn
một bộ khung của vật thể. Mơ hình này cho chúng ta biết thông tin liên kết giữa các
đường và các điểm của vật thể.
Hệ thống mơ hình khung dây xuất hiện vào thời kỳ đầu của hệ thống mơ hình
hố hình học. Hệ thống này rất dễ sử dụng và phát triển hệ thống.

25

Tuy nhiên mơ hình được tạo ra chỉ bao gồm các đường và các điểm nên đơi
khi rất khó hiểu, các mơ hình phức tạp thường rất khó thể hiện. Mặt khác các thông
tin về bề mặt cũng như bên trong của vật thể khơng được thể hiện do đó khơng thể
tính tốn được khối lượng, tạo quỹ đạo đường cắt để gia công các mặt hoặc không
thể tạo lưới phần tử cho việc phân tích phần tử hữu hạn.
2.3.2. Hệ thống mơ hình hố mặt
Trong hệ thống mơ hình hố mặt, việc mơ tả tốn học tương ứng với mơ hình
ảo bao gồm các thơng tin về mặt, các thông tin về đường, điểm, các thông tin về
liên kết mặt...
Khi khơng được tơ bóng mơ hình mặt trơng giống như một mơ hình khung
dây.
Các thơng tin về mặt cũng như các thơng tin về liên kết rất có lợi trong một
số trường hợp, các chương trình ứng dụng như: tạo lập quỹ đạo đường cắt cho máy
NC, kiểm tra vết cắt của một bề mặt gần với bề mặt đang được gia cơng.
Có các phương pháp tạo mơ hình hoá mặt như:
-

Nội suy dữ liệu điểm

-

Nội suy lưới đường cong xác định

-

Dịch chuyển hoặc xoay đường cong xác định.

Thông thường các mơ hình mặt được sử dụng cho các mục đích:

-

Tạo ra các mơ hình có tính mỹ thuật, điêu khắc

-

Sử dụng cho việc tạo lập quỹ đạo đường cắt.

2.3.3. Hệ thống mơ hình hố khối rắn
Hệ thống mơ hình hố khối rắn được sử dụng để tạo lập các mơ hình vật lý
ảo có thể tích đặc, được gọi là mơ hình khối rắn. Khác với hệ thống mơ hình khung
dây và mơ hình mặt mơ hình khối rắn chứa đựng các thông tin về bề mặt cũng như
bên trong vật thể. Do đó chúng ta có thể tính tốn được thể tích cũng như khối
lượng của vật thể,... ngồi ra mơ hình khối rắn cịn có thể được sử dụng để phân tích
phần tử hữu hạn, tạo lập quỹ đạo đường cắt NC