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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
THÂN VĂN THẾ

---------------------------------------

THÂN VĂN THẾ

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật CAD/CAM trong thiết kế chế tạo khn mẫu chính xác

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHẾ TẠO MÁY

KHOÁ 2009 - 2011
Hà Nội – Năm 2011


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN

3

LỜI CẢM ƠN

4

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

5

HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

7

MỞ ĐẦU
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CAD/CAM/ CNC
1.1. Lịch sử phát triển của công nghệ CAD/CAM

10
12
12

1.2. Giới thiệu về CAD/CAM/CNC

13

1.2.1. Các thuật ngữ

13

1.2.2. Giới thiệu về CAD/CAM – CNC

14

1.2.3. Tích hợp CAD và CAM

16

1.2.4. Các phương án triển khai kết nối liên thông CAD – NC

20

1.2.5. CAD/CAM thông minh
1.2.6. Mục tiêu và ý nghĩa của hệ thống CAD/CAM
1.3. Kết luận

21
24
27

CHƯƠNG II. TỔNG QUAN VỀ CHẤT DẺO VÀ CÔNG NGHỆ GIA
CÔNG CHẤT DẺO
2.1. Tổng quan về ngành công nghiệp nhựa

28

2.1.1. Tổng quan về ngành nhựa thế giới trong những năm gần đây.

28

2.1.2. Tình hình ngành nhựa Việt Nam thời kì 1997-2007.

29

2.1.3. Xu hướng phát triển của ngành nhựa tới năm 2010.

31

2.2 Tổng quan về chất dẻo

32

2.2.1. Khái niệm về chất dẻo

32

2.2.2. Đặc tính chung của polymer

32

2.2.3. Phương pháp tổng hợp polymer

33

2.2.4. Phân loại polymer.

33

2.2.5. Các loại chất dẻo dùng trong máy ép đúc

34

2.2.6. Những ứng dụng của chi tiết nhựa nhiệt dẻo

36

2.3. Máy đúc áp lực

39

2.3.1. Phân loại

39

2.3.2. Cấu tạo

40

1

28


2.3.3. Chu trình đúc phun

43

2.3.4. Các thơng số cơ bản của máy đúc phun

44

2.4 Khuôn ép nhựa

46

2.4.1. Khái quát về khuôn

46

2.4.2 Cấu tạo chung của khuôn

47

2.4.3. Các yêu cầu kỹ thuật đối với khuôn ép nhựa.

48

2.4.5. Các loại khuôn phổ biến.

49

3.4.6. Số lượng sản phẩm trên một khuôn

50

3.4.7. Các hệ thống của khn

51

2.4.8. Trình tự thiết kế và bảo quản khuôn.

61

2.4.9. Vật liệu làm khuôn

61

2.4.10. Các chi tiết tiêu chuẩn của khuôn
CHƯƠNG III. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CAD/CAM - CATIA

3.1. Khái quát về phần mềm CAD/CAM - Catia

65
66
66

3.1.1. Lịch sử phát triển

66

3.1.2.Giao diện phần mềm

68

3.2. Các Module thiết kế trong Catia - CAD

70

3.2.1. Part Design

70

3.2.2. Generative Shape Design

74

3.2.3. Assembly Design

76

3.3.Ứng dụng phần mềm tích hợp CAD/CAM – Catia trong thiết kế khn

76

3.3.1. Thiết kế chi tiết nắp ca nhựa

76

3.3.2.Phân tích chi tiêt
3.3.3.Thiết kế mặt phân khuôn
3.3.4. Thiết kế các khối khn

78
80

CHƯƠNG IV. CHẾ TẠO LỊNG KHN
4.1. Một số lưu ý

82
85
85

4.2. Một số trang thiết bị được sử dụng khi gia cơng

85

4.3. Gia cơng lịng khn

86

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

94

TÀI LIỆU THAM KHẢO

95

2


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

Thân Văn Thế

3


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Xuân Việt, người đã hướng dẫn và
giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến q trình viết và
hồn chỉnh Luận văn.
Tác giả bày tỏ lịng biết ơn đối với các thầy cơ trong Bộ mơn Chế tạo máyViện Cơ khí – Đại học Bách Khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Ban lãnh đạo và Viện Sau
đại học của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để tơi
hồn thành Luận văn này.

Tác giả cũng chân thành cảm ơn ban lãnh đạo nhà trường và các thầy cô khoa
Cơ khí Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên.
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 (cơ) giáo, các nhà khoa
học và các bạn đồng nghiệp.

Tác giả

Thân Văn Thế

4


CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
NC (Number Control) – Điều khiển số
CNC (Computer Numerical Control) – Điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính
MCU (Machine Control Unit) – Hệ điều khiển máy
CAD (Computer Aided Design) – Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính.
CAM (Computer Aided Manufacturing) - Chế tạo có sự trợ giúp của máy tính.
CAE (Computer Aided Enginering) - Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính.
CIM (Computer Intergrated Manufacturing) - Hệ thống sản xuất tích hợp.
CAPP - Computer Aided Process Planning
PHICS – Programers Hierarchica Graphic System
GKS-3D – Graphic Kernel System
CGI – Computer Graphic Interface
CGM – Computer Graphic Metafile
IGES – Initial Graphic Exchange Specification
SET – Standard Exchange transport
VDAFS-VAD – Flachenschnitt
PDES – Produce Data Exchange Specification

STEP – Standard for Exchange of Product Model Data
CAD-NT-CAD – Normteile
APT – Automatically Programmed Tools
MAP – Manufacturing Automation Protocol
TOP – Technical and Office Protocol
DNC – Direct Numerical Control
PPC – Production Planning Control
RP - Rapid Prototyping
IR – Industry Robot
PS – Power Shape
PE - Polyetylen
PP - Polypropylen
PS - Polystyren

5


PVC - Polyvinilclorit
PVA – Polyvinylacetat
PVAL - Polyvinylalcol
PA - Polyamit
sx – Sản xuất

6


HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1- Sơ đồ lịch sử phát triển của hệ thống CAD/CAM

8

Hình 1.2- Mơ hình hệ thống OpenCIM

9

Hình 1.3 - Quy trình xử lý thơng tin trong kỹ thuật CAD/CAM-NC

10

Hình 1.4 – Mức tiếp cận CAD/CAM với hệ phần cứng và phần mềm

11

Hình 1.5 – Nguyên lý kỹ thuật CAD/ CAM-CNC

11

Hình 1.6 - Hệ chuyển giao dữ liệu gián tiếp thông qua tệp trung gian

13

Hình1.7 - Các giao diện dùng trong lĩnh vực Cơ khí

14

Hình 1.8 - Các phương án triển khai kết nối CAD - NC

15

Hình 1.9- Sơ đồ quá trình thiết kế thuận và thiết kế đảo chiều

16

Hình 1.10- Cơng nghệ đảo chiều trong nghệ thuật

17

Hình 1.11. Cơng nghệ đảo chiều trong cải tiến mẫu mã

17

Hình 1.12- Cơng nghệ đảo chiều trong sửa chữa

17

Hình 1.13- Cơng nghệ đảo chiều trong khảo cổ học

18

Hình 1.14- Cơng nghệ đảo chiều trong y học

18

Hình 1.15- Tác động của hệ thống CAD tới khả năng tạo hình trong thiết kế

20

Hình 1.16- Khả năng phát hiện lỗi và chi phí cho việc khắc phục trong q trình thiết
kế
Hình 2.1. Mơ hình máy ép phun

20
35

Hình 2.2. Hệ thống kẹp

35

Hình 2.3. Mơ hình khn nhựa

36

Hình 2.4. Mơ hình trục vít

37

Hình 2.5-Q trình nhựa hóa

38

Hình 2.6 - Giai đoạn bơm nhựa

38

Hình 2.7-Giai đoạn làm nguội

39

Hình 2.8 - Giai đoạn lấy sản phẩm

39

Hình 2.9-Cấu tạo chung của khn

42

Hình 2.10-Khn 2 tấm

44

Hình 2.11-Khn 3 tấm

44

Hình 2.12-Khn nhiều tầng

44

7


Hình 2.13 -Khn có chốt tháo ngang

45

Hình 2.14-Số lượng sản phẩm trên một khn

45

Hình 2.15-Mơt số loại chốt đẩy.

46

Hình 2.16- Hệ thống cấp nhựa

47

Hình 2.17- Kênh dẫn nhựa cho bố trí lịng khn dạng hình chữ nhật.

49

Hình 2.18- Kênh dẫn nhựa cho bố trí lịng khn dạng vịng trịn.

49

Hình 2.19- Một số dạng miệng phun thường dùng

50

Hình 2.20- Hệ thống làm nguội khn bằng nước.

51

Hình 2.21- Tháo lõi mặt bên bằng cam chốt xiên.

52

Hình 2.22- Tháo lõi mặt bên bằng cam chân chó

52

Hình 2.23- Tháo lõi mặt bên bằng hệ thống thủy lực.

52

Hình 2.24- Tháo lõi mặt bên bằng hệ thống thanh đẩy xiên.

53

Hình 2.25- Tháo lõi mặt bên bằng hệ thống đường dẫn cam.

53

Hình 2.26 - Hình ảnh một số lịng và lõi khn

54

Hình 2.27 - Hệ thống dẫn hướng khn

55

Hình 2.28 – Các khối định vị khn

55

Hình 2.30 - Một số thép làm lịng khn và lõi khn

59

Hình 3.1- Sơ đồ các module trong Catia

62

Hình 3.2- Giao diện phần mềm Catia

63

Hình 3.3 - Mơi trường PartDesign

66

Hình 3.4 - Giao diện đồ hoạ trong Sketch

67

Hình 3.5- Giao diện đồ hoạ trong mơi trường tạo khối

68

Hình 3.6 - Giao diện đồ họa trong mơi trường Generative Shape Design

70

Hình 3.7- Giao diện đồ họa trong mơi trường Assembly Design

71

Hình 3.8 - Quy trình thiết kế khn

72

Hình 3.9 - Mơ hình chi tiết nắp ca trong MoldFlow

74

Hình 3.10 - Phân tích khả năng điền đầy trên MoldFlow

74

Hình 3.11 -Module Core & Cavity Design

75

Hình 3.12- Hướng mở khn

75

Hình 3.13- Kết quả phân tích mặt phân khuôn.

76

8


Hình 3.14- Kiểm tra các bề mặt sau khi phân tích.

76

Hình 3.15- Hướng di chuyển của mặt Slide và lịng lõi khn.

76

Hình 3.16 - Hệ thống mặt phân khn sau khi thiết kế

77

Hình 3.17 - Khn cơ sở

77

Hình 3.18 - Bộ khn sau khi thiết kế

79

Hình 4.1- Hình ảnh lịng khuôn sau khi thiết kế

82

9


MỞ ĐẦU
Những năm gần đây, cơng cuộc cơng nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước đang
được đẩy nhanh, nó là một yêu cầu tất yếu cho sự phát triển của cơng nghiệp nói
riêng và nền kinh tế nói chung. Trong đó cơ khí hóa, tự động hóa trong các lĩnh vực
sản xuất là một phần không thể thiếu của nền sản xuất hiện đại. Là một học viên của
ngành cơ khí tơi ln khơng ngừng học hỏi, nghiên cứu, tiếp cận với các thiết bị,
quy trình cơng nghệ cũng như ứng dụng các phần mềm CAD/CAM. Bằng thực
nghiệm và thí nghiệm trong quá trình giảng dạy tại các đơn vị trường học, cơ sở sản
xuất tôi đã nắm bắt và hiểu rõ hơn về các thiết bị máy móc, cơng nghệ.

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật ngày nay, các máy công
cụ điều khiển số (NC và CNC) tự động và bán tự động hiện đang được sử dụng phổ
biến tại hầu hết các nước. Trong những năm gần đây các máy CNC được nhập vào
Việt Nam với số lượng ngày càng nhiều. Việc tìm hiểu khai thác khả năng công
nghệ gia công trên máy CNC cũng như trên trung tâm gia công nhằm đạt hiệu quả
kinh tế cao đang là nhiệm vụ cấp bách.
Việc sử dụng các phần mềm CAD/CAM để khai thác tính ưu việt của các máy
CNC là hết sức cần thiết. Máy CNC giúp cho con người có thể gia cơng được
những sản phẩm theo mong muốn mặc dù là rất phức tạp mà trước đây con người
chưa thể gia công được. Thiết kế và chế tạo khuôn nhựa không phải là một đề tài
mới, tuy nhiên cùng với sự phát triển của các phần mềm CAD/CAM, cơng nghệ
làm khn đã có những thay đổi rõ rệt. Độ chính xác của khn ngày được nâng
cao để đáp ứng yêu cầu của thị trường. Hiện nay có rất nhiều phần mềm có modul
thiết kế, gia công khuôn như Catia, solid Edge, Cadmeister, Delcam, Pro/engineer,
Mastercam, Camtool… mỗi phần mềm đều có những thế mạnh riêng. Phần mềm
CAD/CAM tích hợp Catia là phần mềm rất mạnh trên thế giới đã được các hãng

Boeing, BMW, Toyota… dùng thiết kế, lập trình gia cơng và quản lý vịng đời sản
phẩm. Ở Việt Nam thì chỉ có một số công ty liên doanh của Nhật như Toyota,
Canon… đang sử dụng phục vụ sản xuất . Do đó dẫn đến việc tác giả quyết định
chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật CAD/CAM trong thiết kế chế tạo
khuôn mẫu chính xác”.
Trong đề tài luận văn tốt nghiệp này tác giả sẽ tiến hành thiết kế khuôn trên
modul Catia - Mold và lập trình gia cơng lịng khn trên module Catia - CAM.

10


Lịch sử nghiên cứu: Nghiên cứu về ứng dụng phần mềm tích hợp CAD/CAM
(Catia) trong thiết kế, chế tạo và gia cơng khn mẫu cịn khá mới ở Việt Nam. Có

rất ít doanh nghiệp đang sử dụng phần mềm này, các tài liệu sử dụng phần mềm
bằng tiếng Việt chưa có nhiều đặc biệt là modul Mold và CAM.
Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu tổng quan về CAD/CAM, công nghệ chất
dẻo, khuôn nhựa và ứng dụng phần mềm Catia vào thiết kế và gia công khuôn nhựa
trên máy CNC.
Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là công nghệ thiết kế khn, phần mềm tích
hợp CAD/CAM (Catia) trong thiết kế và gia cơng khn mẫu trên máy tính.
Ý nghĩa đề tài:
- Đưa ra cái nhìn tổng quan về CAD/CAM đặc biệt là trong sản xuất khuôn mẫu.
- Giúp hiểu rõ hơn các tính năng ưu việt và đa dạng của phần mềm tích hợp
CAD/CAM- Catia.
- Sơ lược về quy trình thiết kế và gia cơng khn mẫu bằng phần mềm tích hợp
CAD/CAM – Catia.
Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về công nghệ chất dẻo, công nghệ thiết kế khuôn
và phần mềm Catia.
- Thiết kế hồn chỉnh bộ khn trên modul Catia - Mold, lập trình gia cơng tấm
lịng khn trên modul Catia - CAM.
- Gia cơng hồn thiện tấm lịng khn trên máy phay CNC.

11


CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ CAD/CAM/ CNC

1.1. Lịch sử phát triển của công nghệ CAD/CAM
Lịch sử phát triển của công nghệ CAD/CAM liên quan trực tiếp với sự phát

triển của công nghệ máy tính. Một trong những dự án quan trọng đầu tiên trong lĩnh
vực đồ hoạ máy tính là dự án triển khai ngôn ngữ APT tại Học viện công nghệ
Masschusetts vào giữa thập kỷ 50 của thế kỷ thứ 20. Chữ APT là viết tắt của thuật
ngữ Automatically programed tools. (Tạm hiểu là: Máy cơng cụ được lập trình tự
động). Dự án này có quan hệ mật thiết với ý tưởng triển khai một phương thức
thuận tiện để thông qua máy tính xác định các yếu tố hình học phục vụ cho việc lập
trình cho máy cơng cụ điều khiển số.
Từ những năm 60 của thế kỷ 20 nhiều tập đồn cơng nghiệp như General
Motors, IBM, Lockheed Georgia, Itek Corp… đã thực hiện các dự án về đồ hoạ
máy tính. Đến cuối thập kỷ 60 một số nhà cung cấp hệ thống CAD/CAM đã được
thành lập trong đó phải kể đến hãng Calma vào năm 1968, Applicon và
Computervision vào năm 1969. Các hãng này bán trọn gói theo kiểu chìa khố trao
tay trong đó có hầu hết hoặc tồn bộ phần cứng và phần mềm theo yêu cầu của
khách hàng. Một số hãng khác phát triển theo xu hướng cung cấp phần mềm đồ hoạ
như hãng Par Hanratti mà cơng ty thành viên của nó đã cho ra đời AD2000…
Có thể nói đây là một trong những người mở đường tiêu biểu. Ngày nay
CAD/CAM đã thực sự trở thành một cơng nghệ có tốc độ phát triển cực kỳ nhanh
chóng trên nhiều lĩnh vực khoa học và cơng nghệ khác nhau và cũng thật khó có thể
liệt kê đầy đủ các hãng sản xuất và cung cấp dịch vụ, sản phẩm trong lĩnh vực này.
Trong lĩnh vực này phải kể đến một vài hãng quen thuộc như Soft Desk nổi tiếng
với phần mềm đồ hoạ Autocad ra đời từ cuối năm 1982, hãng Gulf Publishing với
các phần mềm thiết kế máy, hãng MTS với gói phần mềm MTS - CAD/CAM...
Hệ tích hợp CAD/CAM ra đời vào giữa những năm 70 – 80. Ta có thể biểu
diễn lịch sử phát triển của hệ thống CAD/CAM bằng sơ đồ sau đây:

12


CIM
CAD/CAM

CAD
FMS
CNC
NC

1950

1960

1970

1980

1990

2000

Hình 1.1. Sơ đồ lịch sử phát triển của hệ thống CAD/CAM
1.2. Giới thiệu về CAD/CAM/CNC
1.2.1. Các thuật ngữ
CAD (Computer Aided Design- Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính). Cơng
nghệ này cho phép dễ dàng thiết kế được các biên dạng, các bề mặt hoặc các hình
khối bất kỳ nhờ máy tính, từ đó có thể thay đổi mẫu mã sản phẩm một cách linh
hoạt, thuận lợi cho việc khảo sát, đánh giá kết quả. Cạnh tranh về mẫu mã sản
phẩm…
CAM (Computer Aided Manufacturing) Sản xuất có sự trợ giúp của máy
tính. CAM thực hiện tất cả các cơng đoạn của q trình sản xuất như thiết kế quy
trình cơng nghệ gia cơng, lập chương trình gia cơng tự động, quản lý và điều hành
q trình gia cơng nhờ máy tính.
CAP (Computers Aided Planning) Lập kế hoạch sản xuất có sự trợ giúp của

máy tính). Nhờ máy tính mà các hoạt động cần thiết để chế tạo sản phẩm được thiết
lập một cách nhanh chóng, chính xác và tối ưu. CAP bao gồm hai công cụ sản xuất
quan trọng là MRP (Manufacturing Resource Planning) Cách thức lập kế hoạch sản

13


xuất và CAPP (Computer Aided Process Planning) Lập quy trình có sự trợ giúp của
máy tính. CAPP giúp người lập quy trình chọn thứ tự ngun cơng tối ưu để chế tạo
sản phẩm.
CAQ (Computers Aided Quality Control) Kiểm tra chất lượng sản phẩm và
quản lý chất lượng trong hệ thống sản xuất.
PP&C (Production Planning and Control). Chức năng PP&C là hoạt động tổ
chức của CIM, nó liên quan đến lập kế hoạch sản xuất, lập kế hoạch nhu cầu vật tư,
nhu cầu thời gian và kiểm tra hệ thống sản xuất.
Tất cả những q trình trên được tích hợp trong một hệ thống CIM
(Computer Intergrated Manufacturing). CIM là hệ thống sản xuất tự động theo dây
chuyền với sự tích hợp của các thiết bị: Máy tính, các trung tâm gia công CNC,
robot, kho hàng và cấp phôi tự động, các thiết bị điều khiển… Hệ thống được thiết
kế, quản lý và điều hành bằng phần mềm chun dùng.

Hình 1.2. Mơ hình hệ thống OpenCIM
1.2.2. Giới thiệu về CAD/CAM – CNC
Xu hướng hiện nay, việc hoạch định quy trình cơng nghệ thường được định
hướng linh hoạt hố. Trong ngành Cơ khí đã có sự dịch chuyển từ tự động hố các
doanh nghiệp có quy mơ sản xuất lớn sang quy mơ vừa và nhỏ, điều đó đã cho phép
dễ dàng thực hiện linh hoạt hoá. Với định hướng này, dây chuyền gia cơng chi tiết
cơ khí có thể thực hiện theo một trong các phương án sau:

14

+ Phương án 1: Dùng máy vạn năng kết hợp gá lắp, điều chỉnh theo nhóm chi tiết.
+ Phương án 2: Dùng máy chuyên dùng đơn giản có khả năng điều chỉnh theo
nhóm chi tiết gia cơng.
+ Phương án 3: Dùng các máy hay trung tâm gia công CNC theo giải pháp
tập trung ngun cơng, tự động hố việc điều khiển theo hướng linh hoạt hoá và tự
động hoá
Các thủ tục xử lý trong kỹ thuật CAD/CAM-CNC có thể khái qt qua sơ đồ
hình1.3.
Bắt đầu hệ thống
CAD/CAM
Tạo lập mơ hình học
(2D, 3D)
Tệp dữ liệu hình học

Tạo lập bản vẽ chi
tiết
Chọn dụng cụ cắt

Tệp dụng cụ cắt

Đặt các điều kiện về
gia công (cắt gọt)

Tệp vật liệu gia công

Tạo lập quỹ đạo dao
(Toolpath)
Chuẩn bị chương

trình gia cơng NC

Tệp dữ liệu về máy
CNC

Xuất băng lỗ NC (ghi
chương trình gia
cơng NC)
Gia cơng chi tiết trên
máy CNC

.

Hình 1.3. Quy trình xử lý thơng tin trong kỹ thuật CAD/CAM-NC

15


Quá trình từ thiết kế đến chế tạo ra sản phẩm có sự đóng góp đắc lực của kỹ
thuật CAD/CAM-CNC nhưng vai trị của con người trong đó có ý nghĩa quyết định.
Chương trình gia cơng NC, CNC dù có được xây dựng từ chuỗi liên thơng thì cũng
khơng thể đáp ứng với mọi loại máy, mọi loại vật liệu, mọi phương thức gia công...
mà thể hiện rõ nhất là việc sử dụng chế độ cắt trên máy.
1.2.3. Tích hợp CAD và CAM
 Các mức tiếp cận của kỹ thuật CAD/CAM-CNC:
CAD/CAM với hệ phần cứng và phần mềm được kết nối theo sơ đồ sau:

CAD

Hardware

CAM

Software

Hardware

Software

+ Scanner

+ Auto CAD

Máy công cụ CNC

+ Cimatron

+ Digitizer

+ Auto Surf

Robot (IR)

+ TRAUB

+ Digital

+ Designer

Trung tâm tế bào gia

+ DENFORD

+ Camera

+Auto Architec

công CNC.

+ Master CAM

(AUTO-DESK,

FMS DESK…)

+ Heidenhain

SOFT-DESK…)

+ Boxfort
MTS, v.v…

Hình 1.4 – Mức tiếp cận CAD/CAM với hệ phần cứng và phần mềm
 Nguyên lý CAD/CAM – CNC
Sơ đồ nguyên lý của kỹ thuật CAD/CAM:

Nhu cầu
sx, tiêu
dùng

Giao diện dữ liệu (tiêu

Giao diện dữ liệu (tiêu

chuẩn/chuyên dụng)

chuẩn/chuyên dụng)

CAD

CAM

Hình 1.5. Nguyên lý kỹ thuật CAD/ CAM-CNC

16

CNC

Đối tượng
sx (Chi tiết,
sản phẩm)


 Giao diện CAD/CAM:
Để đảm bảo tính chất tương thích, tích hợp liên thơng, linh hoạt của các hệ
CAD/CAM phải có giải pháp chuyển tiếp giữa các phân hệ trong phạm vi của từng
hệ và giữa các hệ CAD/CAM được kết nối với nhau thông qua giao diện
CAD/CAM. Giao diện xét theo hai phần là phần cứng và phần mềm có những chức
năng: Giao diện q trình, giao diện hệ thống, giao diện nối tiếp với các thiết bị dữ
liệu ngoài, giao diện với người vận hành.

Giao diện xét về chức năng trao đổi dữ liệu gọi là giao diện dữ liệu, để
chuyển đổi dạng dữ liệu của một hệ CAD/CAM này sang dạng dữ liệu của một hệ
CAD/CAM khác khi tích hợp hai hệ CAD/CAM với nhau. Các hệ CAD/CAM khác
nhau có các cấu trúc dữ liệu khác nhau về đối tượng xử lý (chi tiết, sản phẩm).
Chuyển giao dữ liệu có nghĩa là dịch dữ liệu theo hai cách: Dịch trực tiếp và dịch
gián tiếp thông qua quy cách trung gian tiêu chuẩn như IGES, DXF, STEP,
PDES…
Các thành phần của CIM có mục đích cơ bản là tạo lập mối quan hệ tích hợp
giữa các hệ thống có máy tính trợ giúp khác nhau trong nội bộ hãng. Mục đích đó
được qn triệt ngay từ khâu trao đổi dữ liệu nhờ các chương trình chuyển đổi cho
tới khâu tạo lập các ngân hàng dữ liệu sản phẩm chung.
Ở cách dịch trực tiếp cần có hai bộ phận dịch trực tiếp cho từng cặp hệ thống
có quan hệ giao tiếp dữ liệu với nhau theo hai chiều. Như vậy khi có n hệ thống
khác nhau thì phải có (n-1) bộ dịch, bởi vì có n/2 cặp hệ thống.
Ví dụ: có 5 hệ thống (n=10) thì cần phải có 5(5-1) = 20 bộ dịch trực tiếp để
chuyển giao dữ liệu khi chúng tích hợp với nhau. Nếu ghép thêm chỉ một hệ dữ liệu
vào n hệ có sẵn thì phải có thêm 2n bộ dịch trực tiếp khác nhau để chuyển giao dữ liệu.
Ở cách dịch gián tiếp người ta sử dụng hệ chuyển giao dữ liệu gián tiếp
thông qua tệp trung gian. Tệp trung gian có cấu trúc cơ sở dữ liệu trung gian,
không phụ thuộc vào hệ thống nào riêng biệt. Hiện tại có nhiều tệp trung gian khác
nhau được dùng, mà điển hình là: IGES, DXF, STEP, IGS... Tệp trung gian còn
được gọi là giao diện dữ liệu tiêu chuẩn, đây là cách chuyển giao dữ liệu gián tiếp
giữa các hệ cơ sở dữ liệu khác nhau. Tuy vậy ở cách này, từng hệ thống phải có
một cặp bộ xử lý để chuyển đổi dữ liệu riêng của nó thành quy cách tệp trung gian

17


và ngược lại từ quy cách tệp trung gian thành quy cách tệp gốc của nó. Bộ dịch có
chức năng chuyển giao dữ liệu từ quy cách cơ sở dữ liệu gốc của một hệ thống

thành một quy cách trung gian được gọi là bộ tiền xử lý (pre – processor). Ngược
lại bộ dịch có chức năng chuyển giao dữ liệu từ quy cách trung gian thành quy cách
cơ sở dữ liệu của một hệ thống nào đó được gọi là bộ hậu xử lý (post – processor).
Như vậy cần có 2n bộ xử lý cho n hệ thống được nối ghép với nhau và nếu thêm
một hệ thống mới thì chỉ cần có thêm 2 bộ xử lý nữa .
Khâu trao đổi thơng tin giữa các phịng kỹ thuật hiện tại còn phổ biến dưới
phương thức chuyển giao các bản vẽ kỹ thuật đã được xây dựng theo quy chuẩn.
Với việc ứng dụng giải pháp dùng máy tính trong nội bộ để diễn tả các sản phẩm
kỹ thuật, điều cần hướng tới là trao đổi các mơ hình có máy tính trợ giúp giữa các
hệ thống CAD và các hệ thống khác nối tiếp sau chúng (CAM/CAE…)
Việc triển khai các mơ hình kỹ thuật đối với các q trình nối tiếp trong hệ
CAD có những ưu điểm như: tránh được công việc trùng lặp nhờ khâu nạp dữ liệu,
loại trừ nguồn gốc phát sinh sai số, sử dụng nhiều lần dữ liệu, tăng tốc trao đổi dữ
liệu, tích hợp hố các thành phần có ứng dụng máy tính…
Các cơ sở
dữ liệu gốc
(A)

Bộ tiền xử lý
(pro-processor)

Tệp
trung
gian tiêu
chuẩn

Bộ hậu xử lý
postprocessor

Cơ sở dữ

liệu riêng
(B)

Hình 1.6. Hệ chuyển giao dữ liệu gián tiếp thông qua tệp trung gian
Trong phạm vi chuyển giao dữ liệu giữa hai hệ thống CAD/CAM, khâu trao
đổi dữ liệu chỉ có thể thơng qua cách diễn tả dữ liệu trung gian. Công cụ để thực
hiện trao đổi hiện nay đối với các dữ liệu kỹ thuật và các bản vẽ CAD trong lĩnh
vực Cơ khí trước hết phải kể đến các giao diện VDAFS và IGES. Những thông tin
dữ liệu sản phẩm được tập hợp thành nhiều giao diện khác nhau. Những giao diện
này được quy chuẩn hoá theo quốc gia, cũng như do các hãng tạo lập CAD/CAM
cung cấp thơng qua các chương trình chuyển đổi dữ liệu. Các hãng sẽ cung cấp cho
nơi sử dụng, ứng với hệ thống CAD/CAM của từng hãng hai loại chương trình
chuyển đổi ở dạng hai hệ vi xử lý là tiền xử lý và hậu xử lý.

18


+ Hệ tiền xử lý có chức năng là trợ giúp chuyển đổi các dạng dữ liệu chuyên
dụng và đặc trưng của hệ thống thành dạng trung gian, sau đó hệ hậu xử lý sẽ
chuyển đổi tiếp dạng trung gian thành dạng phù hợp, có giá trị phù hợp với hệ
thống nhập vào. Mơ hình tổng quan về truyền dẫn dữ liệu giữa các hệ CAD/CAM
được thể hiện như sau (hình 1.7)

Các giao diện

Đồ hoạ:
PHIGS,
GKS –
3D, CGI,
CGM

…

Bản vẽ hh
IGES,
SET,
VDAFS
…

Mơ hình sp:
PDES,
STEP,
CAD - NT
…

Điều khiển
máy:
IRDATA,
APT,
CLDATA
…

Hệ thống tự
động:
MAP,
TOP,
…

Hình1.7. Các giao diện dùng trong lĩnh vực Cơ khí
PHICS – Programers Hierarchica Graphic System
GKS-3D – Graphic Kernel System

CGI – Computer Graphic Interface
CGM – Computer Graphic Metafile
IGES – Initial Graphic Exchange Specification
SET – Standard Exchange transport
VDAFS-VAD – Flachenschnitt
PDES – Produce Data Exchange Specification
STEP – Standard for Exchange of Product Model Data
CAD-NT-CAD – Normteile
APT – Automatically Programmed Tools
MAP – Manufacturing Automation Protocol
TOP – Technical and Office Protocol
Khi thực hiện giải pháp này cần có sự thoả thuận giữa các đối tác về thể thức
cung cấp các dữ liệu CAD/CAM, cụ thể là hình thức diễn đạt và mơ hình gốc nhằm
đảm bảo tính ổn định của dữ liệu, cũng như đảm bảo tuỳ chọn tại mọi thời điểm,

19


nghĩa là không phụ thuộc vào sự lựa chọn hệ thống và cấu trúc hệ thống. Ngày nay
dạng trung gian của dữ liệu được tạo lập theo nhiều hướng khác nhau và có hàm
lượng thơng tin khác nhau. Ngồi ra dạng giao diện dữ liệu trung gian có có giao
diện dữ liệu trực tiếp ở dạng các hệ chuyển đổi chuyên dụng - phụ thuộc hệ thống
để hỗ trợ quá trình trao đổi dữ liệu giữa hai hệ thống CAD/CAM.
1.2.4. Các phương án triển khai kết nối liên thông CAD – NC
Các phương án triển khai thiết kế kết nối liên thông CAD – NC được thực hiện
theo sơ đồ ý tưởng sau:
Ý TƯỞNG THIẾT KẾ
Phương án 2
Kết nối CAD với các hệ
thống lập trình NC

Phương án 1
Hệ thống lập trình NC
với xử lý dữ liệu hình
học cơ bản

Hệ CAD

Bản vẽ chi thiết cần gia
cơng CNC

- Hình học đại quan và tế
vi
- Các dữ liệu khác
- Giao diện tiêu chuẩn
(IGES, DXF, VDA-IS,
VAD-FS…)

Các chức năng CAD
cơ bản
Hệ lập trình NC xử lý dữ
liệu lập trình hình học cơ
bản

Chương trình NC

Hệ lập trình NC

Hồ sơ gia cơng CNC
Phiếu dụng cụ, gá lắp

Phương án 3
Tích hợp CAD và lập
trình NC

Mơdun CAD - CAM

- Hình học đại quan và tế
vi
- Các
dữ liệuCAD
khác Mơdun
- Giao diện tiêu chuẩn và
CAM
chuyên dụng
- Tạo lập chương trình
NC từ CAD
Mơ đun lập trình NC

Sơ đồ gá đặt,
sơ đồ toạ độ

Giao diện nội bộ máy tính

Giao diện Người – Máy tính

Hình 1.8. Các phương án triển khai kết nối CAD - NC

20

1.2.5. CAD/CAM thơng minh
Q trình sản xuất sản phẩm ngày càng được chun mơn hóa, việc chế tạo
ra một loại sản phẩm được chia tách thành nhiều công đoạn riêng biệt nhưng có
quan hệ mật thiết với nhau theo một tiêu chuẩn chung thống nhất hợp thành quy
trình sản xuất. Dưới đây là hai sơ đồ thuật toán của hai chu trình sản xuất hiện nay:
Quy trình thiết kế thuận

Quy trình thiết kế đảo chiều

Nhu cầu

Nhu cầu

Ý tưởng thiết kế

Sản phẩm thực

Tạo bản vẽ phác thảo
2D và 3D

Số hóa sản phẩm
(Data Capture)

Tính tốn, phân tích (CAD/CAM)

Xử lý dữ liệu số hóa

Tối ưu thiết kế, bản vẽ thiết kế
(CAE/CAD)

CAD/CAM/CAE/CAPP

Chuẩn bị gia công (CAM/CAPP)

Chế thử, mô phỏng
(RP/CNC/CAM)

Chế thử, mô phỏng
(RP/CNC/CAM)

No

No

Kiểm tra
thực tiễn

Kiểm tra
thực tiễn
Yes

Yes

Sản xuất đại trà

Sản xuất đại trà

Hình 1.9. Sơ đồ quá trình thiết kế thuận và thiết kế đảo chiều.

21


Ứng dụng của công nghệ đảo chiều:
-

Trong lĩnh vực nghệ thuật công nghệ đảo chiều được thể hiện ở việc sao

chép hay phân tích các đặc điểm nét vẽ của các kiệt tác hội họa, điêu khắc.

Hình 1.10. Cơng nghệ đảo chiều trong nghệ thuật
Cơng nghệ đảo chiều có vai trị rất lớn trong cải tiến mẫu mã sản phẩm

-

Hình 1.11. Công nghệ đảo chiều trong cải tiến mẫu mã
-

Công nghệ đảo chiều còn được sử dụng khi cần thay thế một chi tiết, bộ phận

mà nhà sản xuất không còn cung cấp, chúng ta phải chế tạo lại chúng mà khơng hề
có bản vẽ thiết kế. Hay khi muốn sản xuất theo một mẫu mã tối ưu trên thị trường
mà nhà thiết kế ra chúng đã làm mất, làm hỏng, hoặc khơng muốn cung cấp tài liệu
thiết kế.

Hình 1.12. Công nghệ đảo chiều trong sửa chữa.

22

-

Trong khảo cổ học, công nghệ đảo chiều cho phép khơi phục hình dạng của

các sinh vật thời tiền sử dựa trên các hóa thạch cổ thu được trong đất, đá hay trong
băng mà không hề làm tổn hại hay phá hoại mẫu hóa thạch đó. Thiết kế đảo chiều
cịn cho phép chúng ta tạo dựng lại các mẫu tượng cổ, khơi phục lại các cơng trình
kiến trúc, nghệ thuật cổ đã bị tàn phá trong lịch sử.

Hình 1.13. Cơng nghệ đảo chiều trong khảo cổ học.
-

Trong y học công nghệ thiết kế đảo chiều cho phép chúng ta có thể tạo ra các

bộ phận cơ thể phù hợp cho từng bệnh nhân trong thời gian ngắn để thay thế cho
các khuyết tật, các bộ phận bị hỏng, bị tổn thương, bị hư hại do tai nạn hoặc do bẩm
sinh như xương, khớp, răng hàm, mảnh sọ não…

Hình 1.14. Cơng nghệ đảo chiều trong y học.
1.2.6. Mục tiêu và ý nghĩa của hệ thống CAD/CAM
Dịng thơng tin chính trong một doanh nghiệp được xuất phát từ các lĩnh vực
xác định khái niệm sản phẩm (thiết kế, cấu trúc, chuẩn bị gia công) đến các lĩnh vực

23


gia công chế tạo sản phẩm. Để cho chất lượng sản phẩm tốt hơn, thời gian sản xuất
ngắn hơn, tính linh hoạt tăng lên và như vậy tính kinh tế, sự cạnh tranh cao hơn bắt
buộc ở tất cả các khâu của quá trình sản xuất sản phẩm cần phải tìm và ứng dụng
các khả năng quay vịng sản xuất.

Từ đầu thế kỷ 20 nhiều doanh nghiệp đã sử dụng các phương pháp mới cho
các lĩnh vực gia cơng có hiệu quả cao và từ đó nhằm đa dạng hố gia cơng (Tất cả
các khâu tăng hơn 1000%) thì trong lĩnh vực xác định sản phẩm chỉ tăng được
khoảng 20%. Mặt khác việc tạo ra cấu trúc và phát triển chiếm khoảng 75% và
chuẩn bị sản xuất chiếm khoảng 10% trong việc ấn định một sản phẩm.
Ở hình 1.15 chỉ rõ ở phía bên trái việc thiết kế các kết cấu bằng tay do người
giàu kinh nghiệm thực hiện. Việc làm thủ công này chiếm mất khoảng 50%. Những
công việc này hồn tồn có thể mơ tả bằng thuật tốn dưới sự hỗ trợ của máy tính
trong trường hợp định nghĩa sản phẩm bằng một hệ thống CAD/CAM.

Thiết kế truyền thống

Thiết kế với CAD/CAM

Hình 1.15. Tác động của hệ thống CAD tới khả năng tạo hình trong thiết kế

24