giáo trình cad1 lý thuyết

VẼ VÀ THIẾT KẾ TRÊN MÁY TÍNH (CADD)

Computer Aided Design and Drafting

1

TỔNG QUAN VỀ VẼ VÀ THIẾT KẾ TRÊN MÁY TÍNH

2

CHƯƠNG 1:

Wiring

Piping

Formed Parts

Steel Frame

Standard Parts

Fasteners

1.1 SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA THIẾT KẾ VỚI SỰ TRỢ GIÚP CỦA MÁY TÍNH

3

1945: Vannevar Bush đề xuất những ý tưởng đầu tiên, ngay sau khi máy tính điện tử đầu tiên ra đời.

Vào những năm 60 thế kỷ 20, các giải pháp CAD đầu tiên đã ra đời tại các tập đoàn công nghiệp như: General Motors, Lockheed, NASA, Bell Labs…

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 1969 và Pat Hanratti.

Vào những năm 70, các hệ CAM đầu tiên ra đời. Các hệ thống CAD-CAM (nối với nhau thành một chỉnh thể) tràn

ngập trong mọi ngành công nghiệp -> những bước nhảy vọt về năng suất và chất lượng trong sản xuất công nghiệp.

4



Kể từ hệ đồ họa đầu tiên SAGE (Semi Automatic Ground Environment) trong những năm 50 cho tới nay, ngành CAD đã trải qua những chặng đường phát triển đặc sắc, nhanh chóng.

5


Một vài mốc lịch sử phát triển: 1955 - Hệ CRT trong các dự án quân sự Mỹ 1957 - APT II (Automatic Programmed Tool) phục vụ điều khiển số. Máy

NC trong công nghiệp. 1959 - Stromberk Carlson phát triển hệ thống diễn giải graphics. 1963 - Ivan Sutherland giới thiệu 'Sketchpad', mở đầu khái niệm 'đồ họa

tương tác' 1965 - Lockheed giới thiệu hệ CAD/CAM và hệ FEM. McDonnell giới

thiệu hệ CADD. 1971 - David Prince viết cuốn sách đầu tiên về đồ họa máy tính (computer

graphics) 1975 - Bắt đầu dự án ICAM (Integrated Computer Aided Manufacturing)

của không quân Mỹ. 1976 - Bắt đầu công nghệ đồ họa mành quét màu (Color raster graphics) 1979 - Bắt đầu IGES. 1980 - Dòng máy PC 'cách mạng hóa' thị trường

1980s - Mô hình khối (Solid Modeling) trên UNIX 1990s - Mô hình khối trên máy tính giá thấp

6


Thiết kế và sản xuất có sự trợ giúp của máy tính đã trở thành xu thế công nghệ chung của các kỹ sư trên toàn thế giới. Cùng sự phát triển không ngừng của việc ứng dụng CNTT vào việc thiết kế, sản xuất nói chung và ngành Cơ khí chế tạo, khuôn mẫu nói riêng, các hãng sản xuất phần mềm liên tục đưa ra những phần mềm mới hỗ trợ tối đa về tốc độ, tiện ích phần mềm sử dụng trở nên đa dạng và phong phú hơn.

7

Quá trình thiết kế

Quá trình sản xuất

Nhu cầuCác đặc tính kỹ

thuậtNghiên cứu tính khả thi với

các thông tin thu nhận được

Đánh giá thiết kế

Phân tích, tối ưu

Thiết kếMô hình

phân tíchThiết kế sơ

bộTài liệu thiết

kế

Qui trình công nghệ

Kế hoạch sản xuất

Thiết kế và thu nhận được các

công cụ mới

Kế hoạch vật tư

Chương trình CNC, DNC

Tiếp thị

Sản xuấtKiểm tra

chất lượngBao gói Phân phối

CAM

Phân tíchTổng hợp

1.2 CÁC HỆ THỐNG CAD

8


CAD (Computer Aided Design) là công nghệ có liên quan tới việc sử dụng máy tính để trợ giúp quá trình: Tạo, hiệu chỉnh, phân tích và tối ưu hoá thiết kế.

• Một hệ thống CAD là một chương trình phần mềm máy tính bao gồm các chương trình đồ hoạ máy tính và chương trình ứng dụng có chức năng mà đáp ứng được yêu cầu của quá trình thiết kế.

9


CAD bao gồm hai vấn đề gắn kết với nhau:

1. Các công cụ hình học tạo và xử lý các đối tượng hình học.

2. Các công cụ phân tích và tối ưu hoá các đối tượng hình học đó. Các công cụ điển hình là phân tích sai lệch, tính toán các thuộc tính khối lượng, mô hình phần tử hữu hạn và biểu diễn các kết quả tính toán.

10


• Vai trò cơ bản nhất của CAD là định nghĩa các đối tượng hình học của thiết kế: – Một chi tiết máy, một cụm hoặc một máy.

– Kết cấu kiến trúc hoặc xây dựng, mạch điện...

• Các đối tượng hình học của CAD cần thiết cho cả vòng đời sản phẩm.

11


• Xa hơn nữa thì hình học được tạo ra từ các hệ thống CAD được sử dụng làm cơ sở cho việc thực hiện các chức năng tính toán phân tích (CAE - Computer Aided Engineering) và các chức năng chế tạo sản phẩm (CAM - Computer Aided Manufacturing).

• Việc này tạo ra được lợi ích rất lớn, giảm thiểu thời gian thiết kế sản phẩm, giảm bớt sai sót, nâng cao hiệu quả trong thiết kế, chế tạo sản phẩm.

12


CAM là công nghệ sử dụng máy tính trong việc lập kế hoạch, tổ chức và quản lý các hoạt động sản xuất thông qua các giao tiếp máy tính một cách trực tiếp và gián tiếp với các nguồn lực của hệ thống sản xuất.

• Các lĩnh vực mà CAM bao trùm là kỹ thuật CNC, robot, kế hoạch sản xuất, kế hoạch vật tư...

13


CAE là công nghệ sử dụng máy tính để phân tích các đối tượng hình học của CAD.

• CAE cho phép người thiết kế mô phỏng và nghiên cứu sản phẩm để tìm ra được ứng xử của chúng, giúp người thiết kế hiệu chỉnh và tối ưu lại bản thiết kế.

14


• Các công cụ của CAE bao gồm một dải rộng, từ việc mô phỏng động học, ví dụ là việc tìm quĩ đạo chuyển động, vận tốc của cơ cấu.

• Các chương trình ứng dụng phân tích động lực học của di chuyển lớn được sử dụng để xác định tải trọng và dịch chuyển của các lắp ghép lớn, ví dụ như của ô tô.

• Các phần mềm logic và kiểm tra mô phỏng các hoạt động của mạch điện.

15


• Phương pháp sử dụng rộng rãi nhất trong tính toán phân tích kỹ thuật là phần tử hữu hạn. Quá trình phân tích phần tử hữu hạn thường qua hai bước:– Đầu tiên đưa ra mô hình rút gọn bằng cách loại bỏ

các chi tiết không cần thiết hoặc thu gọn mô hình hình học lại và tiến hành tính toán - Bước này được gọi là tiền xử lý.

– Sau khi đã có kết quả tính toán, chương trình sẽ đưa ra kết quả phân tích, đánh giá mô hình hình học, ví dụ để quan sát được thì đưa ra chỉ thị màu cho các miền ứng suất- Bước này gọi là hậu xử lý.

16


Tối ưu hoá thiết kế là dựa vào các kết quả tính toán, phân tích, đánh giá để đưa ra các giá trị tối ưu cho thiết kế sơ bộ, cụ thể là kích thước, hình dáng... của sản phẩm.

Các bước phân tích và tối ưu hoá cho phép người thiết kế đánh giá đầy đủ, kiểm tra sai sót của bản thiết kế, giúp tiết kiệm thời gian và công sức, tạo điều kiện phát triển sản phẩm, nâng cao hiệu quả.

17


CAD, CAM và CAE đều liên quan đến lĩnh vực tự động hoá các quá trình diễn ra trong vòng đời của một sản phẩm và giúp nâng cao hiệu quả của chúng.

Tuy nhiên, các khái niệm trên được phát triển riêng biệt nên không tạo ra được sức mạnh cho chúng.

19


CIM (Computer Intergrated Manufacturing): Gắn kết các lĩnh vực khác nhau của tự động hoá

thành một hệ thống vận hành trơn tru và hiệu quả.CIM hướng tới việc sử dụng cơ sở dữ liệu của máy

tính như là một con đường dẫn toàn bộ doanh nghiệp hoạt động một cách hiệu quả hơn.

Nó bắt buộc các chức năng về kế toán, kế hoạch, phân phối và các chức năng quản lý khác phải hỗ trợ cho công tác thiết kế kỹ thuật và sản xuất sản phẩm với sự tham gia của CAD/CAM/CAE.

20

1.3 CÁC LOẠI MÔ HÌNH THIẾT KẾ

Trong thực tế, các nhà thiết kế sử dụng một số các mô hình khác nhau tuỳ thuộc vào thuộc tính của thiết kế được mô hình hoá và cái đích nhận được thuộc tính này. Các thuộc tính gồm:Chức năng của thiết kế.Kết cấu, hình dáng của các bộ phận.Vật liệu, cơ tính.Chất lượng bề mặt, kích thước, dung sai và sai lệch...Mô hình toán học hoặc biểu diễn máy tính...

21

1.3 CÁC LOẠI MÔ HÌNH THIẾT KẾ

• Hình dáng và kết cấu: Đặc biệt quan trọng -> biểu diễn:– Đồ hoạ

– Bản vẽ kỹ thuật

– Cách nối các bộ phận với nhau ở dạng bản vẽ sơ đồ hệ thống (điện, thuỷ lực).

22

Bản vẽ chi tiết

23

Bản vẽ lắp ráp

24

Bản vẽ phân rã

25

Mô hình hệ thống thuỷ lực của cơ cấu kẹp dao trung tâm gia công CNC

26

Ứng dụng của các mô hình thiết kế

Hai mục đích chủ yếu: Phân tích đánh giá - Phát ra thông tin cho sản xuất. Đánh giá bằng mắt: Đảm bảo rằng không có

sai sót.Đánh giá khối lượng và các thuộc tính cơ học.Đánh giá tải trọng.Đánh giá ứng suất: Mô hình phần tử hữu hạn.

27

Định nghĩa mô hình trong CAD • Mô hình hoá trong không gian 3 chiều: Khung dây, mặt và

khối rắn.• Mô hình khung dây 3 chiều:

– Dễ sử dụng và thiết lập cũng như lưu trữ và xử lý. – Không có thông tin về bề mặt cũng như trong lòng vật thể.– Không biểu diễn tường minh vật thể. Không có các bề mặt để

có thể xét thấy khuất cũng như loại bỏ các đường khuất của vật thể.

– Ứng dụng của các mô hình này rất hạn chế.

28

Mô hình khung dây 3 chiều

Trong kỹ thuật cơ khí:1. Thiết kế chi tiết.2. Thiết kế lắp ghép.3. Quĩ đạo dụng cụ NC.4. Lập trình Robot.

Trong kiến trúc và xây dựng:1. Thiết kế nhà.2. Phân tích cấu trúc.3. Thiết kế và phân tích đường ống.4. Thiết kế mặt bằng.5. Thiết kế nội thất.

Trong kỹ thuật đồ bản.

29

Mô hình đường cong và các bề mặt tự do

• Dựa trên kỹ thuật điểm, đường cong, bề mặt. Các mô hình bề mặt khắc phục được một số nhược điểm của mô hình khung dây. Các mô hình này được ứng dụng trong:– Thiết kế và chế tạo khuôn.– Thiết kế thân ô tô, tàu thuỷ, máy bay.– Nghệ thuật.

30

Mô hình khối rắn 3 chiều

• Mô hình khối rắn là mô hình hoàn chỉnh nhất trong các loại trên.

• Nó cho các thông tin về điểm đường, mặt bên ngoài cũng như bên trong vật thể.

• Có thể sử dụng các mô hình này để tạo ra các bản vẽ kỹ thuât, xét thấy/khuất cũng như tô bóng.

• Dữ liệu thông tin của mô hình khối rắn 3 chiều còn được sử dụng trong tính toán phân tích cũng như quá trình trợ giúp gia công.

31

Mô hình khối rắn 3 chiều

• Khi một mô hình khối rắn được hoàn chỉnh thì việc phân tích kỹ thuật được áp dụng trực tiếp cho mô hình.

• Biểu diễn mô hình khối rắn 3 chiều cũng giúp liên kết thiết kế, phân tích và chế tạo sản phẩm.

• Sự tồn tại các phần mềm mô hình hoá khối rắn 3 chiều cần thiết cho môi trường sản xuất tự động hoá.

32

33

1.4 PHẦN CỨNG CỦA CAD

34


• Đa dạng về kích thước, cấu hình và về mức độ hiện đại, tuỳ theo nhiệm vụ của từng đơn vị mà chọn hệ CAD cho phù hợp.

• Đồ hoạ máy tính tương tác (ICG-Interative Computer Graphics): Cho phép người thiết kế có ngay những ứng xử của hệ thống về dữ liệu đầu vào để có được những tác động thích hợp vì giữa người thiết kế và hệ thống có một mối liên lạc trực tiếp theo cách người sử dụng vào lệnh cho hệ thống và đáp ứng lại những câu hỏi mà hệ thống đưa ra.

• Ngày nay các phần cứng trong công nghệ thông tin rất phong phú và đa dạng được sử dụng trong hệ CAD.

1.4 PHẦN CỨNG CỦA CADMột hệ CAD nói chung thường có các thiết bị phần cứng sau đây:

1. Một hoặc một số trạm thiết kế với một đầu cuối đồ hoạ và các thiết bị vào của người thiết kế.

2. Một hoặc một số máy vẽ và các thiết bị ra khác.

3. Một máy tính.

4. Các bộ lưu trữ ngoài (bộ nhớ ngoài).

35

Hệ CAD có loại độc lập trong đó chỉ có một máy tính cá nhân điều khiển, có loại nối mạng cục bộ với nhiều trạm thiết kế do một máy trung tâm điều khiển.

1.4.1. TRẠM THIẾT KẾ: Trạm thiết kế hay còn gọi là trạm công tác của hệ CAD

là một hệ thống giao diện với thế giới bên ngoài. Đây là một yếu tố quan trọng tạo nên tính hiệu quả và sự thuận tiện đối với người thiết kế khi làm việc với một hệ CAD. Bao gồm một trạm thiết kế có PC, thiết bị đầu cuối đồ họa (màn hình CRT), thiết bị vào (bàn phím, chuột).

36


1.4.1. TRẠM THIẾT KẾ

Chức năng :

1. Giao diện với máy tính.

2. Tạo ra các bản vẽ ổn định cho người thiết kế.

3. Cung cấp các bản mô tả dưới dạng số của các bản vẽ trên.

4. Chuyển các lệnh máy tính thành các chức năng vận hành.

5. Tạo thuận lợi cho việc truyền thông giữa người thiết kế và hệ thống.

37

1.4.2. THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI ĐỒ HỌA

Hiện có 2 loại thiết bị đầu cuối đồ hoạ được sử dụng trong các trạm thiết kế như sau :1. Thiết bị đầu cuối tối thiểu: Màn hình2. Thiết bị đầu cuối đồ hoạ có vi xử lý riêng: Màn hình có card điều khiển gắn với bộ vi xử lý riêng.

Dù là thiết bị đầu cuối đồ họa loại nào thì việc tạo hình ảnh và hiển thị hình ảnh đó lên màn hình đều theo những nguyên tắc giống nhau.

38


1.4.3. CÁC THIẾT BỊ ĐẦU VÀO (INPUT)

Các thiết bị input được trang bị tại một trạm thiết kế là nhằm cung cấp cho người sử dụng những phương tiện thuận lợi trong việc giao thông liên lạc với hệ thống.

1. Các thiết bị điều khiển con trỏ.

- Bảng trò chơi.

- Cần điều khiển.

- Cầu vạch.

- Chuột.

- Các phím di chuyển con trỏ trên bàn phím.

- Bút quang.

- Bảng và bút điện tử.

2. Bàn đồ hoạ. Có thể được xem như một bàn vẽ điện tử.

3. Máy quét (Scanner). Máy quét là một thiết bị dùng để đọc bản vẽ hay chữ viết trên giấy, số hoá chúng rồi đưa vào cho máy tính xử lý.

4. Bàn phím. Có nhiều loại:

- Bàn phím ký tự.

- Bàn phím chức năng chuyên dùng.39


1.4.4. CÁC THIẾT BỊ ĐẦU RA (OUTPUT)

1. Màn hình.

2. Máy vẽ.

3. Máy copy màn hình.

4. Máy in.

40


1.5 PHẦN MỀM CAD

Phần cứng của CAD chỉ có tác dụng và hoạt động với phần mềm kèm theo. Phần mềm gồm hai loại :Phần mềm đồ hoạ.Phần mềm ứng dụng (kể cả những chương trình bổ trợ để thực hiện những chức năng đặc biệt có liên quan đến CAD/CAM)

41

Phần mềm đồ hoạ:

Đây là một bộ chương trình được viết ra nhằm tạo điều kiện cho người sử dụng vận hành hệ thống đồ hoạ máy tính (hệ ICG).

Bộ chương trình này thường được sản xuất trọn gói nên còn có tên gọi gói phần mềm đồ hoạ, bao gồm những chương trình để tạo ra hình ảnh trên màn hình, để điều khiển các hình ảnh đó và để thực hiện các kiểu tương tác khác nhau giữa ICG.

AutoCAD là ví dụ điển hình về một bộ chương trình như vậy. Còn hệ ICG là một hệ thống đồ hoạ tương tác, ngoài phần mềm còn có phần cứng.

42


Phần mềm ứng dụng:

Bao gồm những phần mềm phân tích thiết kế (chẳng hạn như phân tích phần tử hữu hạn, mô phỏng động học cơ cấu...) và những phần mềm lập kế hoạch sản xuất - chế tạo (chẳng hạn như lập kế hoạch gia công tự động, lập trình vật làm điều khiển số...).

43


CẤU HÌNH PHẦN MỀM CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐỒ HOẠ TƯƠNG TÁC (ICG)Khi người sử dụng vận hành một hệ ICG, có rất nhiều hoạt động khác nhau xảy ra. Có thể chia những hoạt động đó thành 3 loại :1. Tương tác với thiết bị đầu cuối đồ hoạ để tạo ra và thay đổi những hình ảnh trên màn hình.2. Kiến tạo nên một mô hình mà về mặt vật lý có thể vượt ra ngoài hình ảnh chứa trên màn hình. Đôi khi mô hình này còn được gọi là mô hình ứng dụng.3. Nhập mô hình vào bộ nhớ trong (và cả bộ nhớ ngoài khi cần).

44


Theo truyền thống, người ta xác định cấu hình tổng quát của một hệ phần mềm đồ hoạ gồm có ba môdun sau :

1. Gói phần mềm đồ hoạ.

2. Chương trình ứng dụng (mô hình ứng dụng)

3. Cơ sở dữ liệu đồ hoạ.

45


46


CÁC CHỨC NĂNG CỦA MỘT GÓI PHẦN MỀM ĐỒ HOẠ

• Tạo các yếu tố hình học.

• Các phép chuyển đổi (quay, dịch chuyển...).

• Điều khiển hiển thị (lên màn hình, lên giấy vẽ...) và các chức năng cửa sổ.

• Các chức năng phân đoạn.

• Các chức năng Input.

47


1.6. QUÁ TRÌNH VẼ VÀ THIẾT KẾ TRÊN MÁY TÍNH

48

1.6. QUÁ TRÌNH VẼ VÀ THIẾT KẾ TRÊN MÁY TÍNH

Trong nền kinh tế thị trường, việc phát triển sản phẩm phải đáp ứng được nhu cầu của thị trường và thường được nhận biết thông qua hồ sơ thiết kế, là tài liệu cơ sở cho các bước sau đó để phát triển sản phẩm.

Hồ sơ thiết kế được nhà thiết kế tạo ra và có thể bao gồm cả các chỉ dẫn cho sản xuất. Trong quá trình thiết kế, họ được các nhà phân tích trợ giúp sử dụng kỹ thuật phân tích và mô phỏng và các kỹ sư nghiên cứu thực hiện các công trình thực nghiệm để kiểm tra sản phẩm mẫu để làm mịn lại mô hình thiết kế.

Nhóm này có thể được các nhà nghiên cứu hỗ trợ để bổ sung các thông tin về vật liệu, quá trình hoặc kỹ thuật.

49

MÔ HÌNH PAHL VÀ BELTZ

• Pahl và Beltz đưa ra năm 1984• Trong mô hình này quá trình thiết kế được mô tả là một

sơ đồ gồm bốn pha chính được tóm tắt như sau:

50

Nhiệm vụ

Đặc tính kỹ thuật

Làm rõ nhiệm vụThiết lập chức năng

Xác định bài toán cơ bản.Thiết lập cấu trúc chức năng.Tìm kiếm giải pháp.Tổ hợp và khẳng định các biến thể.Đánh giá các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật.

Khái niệm

Phác thảo sơ bộ và thiết kế hình dángLựa chọn phác thảo tốt nhấtHiệu chỉnh lại và đánh giá lại các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật

Tối ưu hoá và hoàn chỉnh thiết kếKiểm tra phát hiện sai sót và hiệu suấtChuẩn bị bảng kê chi tiết và các tài liệu phục vụ sản suất

Phác thảo sơ bộ

Xác định thiết kế

Hoàn chỉnh chi tiếtHoàn chỉnh bản vẽ và các tài liệu sản xuất

Tài liệu

Giải pháp

Cập

nhậ

t và

cải t

iến

Thô

ng ti

n ph

ản h

ồi

Thi

ết k

ế ch

i tiế

tT

hiết

kế

tổng

thể

Thi

ết k

ế sơ

bộ

Làm

rõ

nhiệ

m v

ụ MÔ HÌNH PAHL VÀ BELTZ

51

• Làm rõ nhiệm vụ: Bao gồm cả việc thu thập thông tin về yêu cầu thiết kế và các ràng buộc thiết kế và mô tả chúng dưới dạng các đặc tính kỹ thuật.

• Thiết kế sơ bộ: Bao gồm việc thiết lập các chức năng của thiết kế, nhận biết và phát triển giải pháp phù hợp.

• Thiết kế tổng thể: Phát triển các giải pháp khái niệm chi tiết hơn, các bài toán được giải và loại bỏ các lỗi.

• Thiết kế chi tiết: Trong giai đoạn này, các yếu tố về kích thước, dung sai, vật liệu và hình dáng của từng chi tiết máy của thiết kế được xác định một cách chi tiết để phục vụ cho sản xuất.

52

MÔ HÌNH PAHL VÀ BELTZ

MÔ HÌNH OSHUGA (NĂM 1989)

53

Yêu cầu

Xây dựng mô hình

Mô hình 1

Chỉnh sửa và làm mịn

Mô hình 2

Phân tích và đánh giá


Mô hình n




Phát ra thông tin cho lập kế hoạch,

chế tạo và kiểm tra

Kế hoạchChế tạoKiểm tra

Sản phẩm

(Thiết kế khái niệm)

(Thiết kế sơ bộ)

(Thiết kế chi tiết)

MÔ HÌNH OSHUGA

• Oshuga mô tả quá trình thiết kế bao gồm một số giai đoạn, phát triển từ các yêu cầu qua thiết kế khái niệm và thiết kế sơ bộ cho tới thiết kế chi tiết.

• Trong mô hình này, các giai đoạn thiết kế được đưa ra ở một dạng chung mà mỗi giai đoạn đều có một bước tính toán phân tích, hiệu chỉnh và làm mịn lại mô hình.

54

MÔ HÌNH OSHUGA

• Ở giai đoạn thiết kế đầu tiên, nhà thiết kế đưa ra một giải pháp sơ bộ nhằm đưa ra được một số góc nhìn khác nhau để xác định được sự phù hợp của thiết kế đối với yêu cầu đặt ra.

• Nếu thiết kế không phù hợp, nó sẽ được chỉnh sửa.• Công việc này lặp lại ở các giai đoạn sau cho đến

khi thiết kế có thể phát triển sâu hơn và lúc này bắt đầu giai đoạn thiết kế sơ bộ.

• Trong giai đoạn này, thiết kế được làm mịn, đánh giá và hiệu chỉnh lại ở mức cao hơn, chi tiết hơn.

• Pha thiết kế chi tiết xử lý theo cách tương tự để hoàn chỉnh thiết kế.

55

MÔ HÌNH OSHUGA

• Mỗi mô hình quá trình thiết kế nói trên cho ta biết trình tự một quá trình thiết kế cho sản xuất.

• Tuy nhiên, áp lực của việc giảm bớt thời gian đòi hỏi việc đưa ra thiết kế, phát triển, phân tích thiết kế và thông tin sản xuất phải tiến hành song song nhau.

• Kỹ thuật này được gọi là kỹ thuật đồng bộ hoặc đồng qui.

56

Các mô hình sản xuất và thiết kế

57

Vòng đời của sản phẩm bao gồm nhiều pha bao gồm các pha:

•Nhận biết nhu cầu.

•Xác định các đặc tính cần thiết.

•Thiết kế, chế tạo.

•Phân phối sản phẩm.

•Bảo trì hay dịch vụ sau bán hàng, tái sử dụng và loại bỏ.

58


• Theo như hình vẽ trên, các pha của quá trình hoàn toàn tách biệt và nối tiếp nhau và quá trình lập kế hoạch sản xuất là cầu nối giữa thiết kế và chế tạo. Do đó, pha thiết kế được sử dụng để tạo ra bản thiết kế sản phẩm và để thiết lập ra phương pháp chế tạo sản phẩm trước khi sản phẩm được đưa vào chế tạo.

59


• Nhiều sản phẩm phải tiêu tốn nhiều thời gian vào việc chuẩn bị sản xuất trong khi cần phải đánh giá được giá thành và giới thiệu sản phẩm. Việc lập kế hoạch sản xuất tương đối đơn giản hơn và nó bao gồm cả truyền thông tin về thiết kế thành thông tin cho quá trình gia công (các chỉ dẫn).

60


Trong môi trường sản xuất hiện nay, việc đặt ra các yêu cầu về tính ổn định cao là không thực tế.

Các sản phẩm luôn phải đổi mới, nhà sản xuất phải luôn luôn đưa ra thị trường sản phẩm có mẫu mã mới và tiện lợi hơn.

Như vậy, cần phải có một hệ thống sản xuất linh hoạt kể cả ở khâu thiết kế và thiết kế lại sản phẩm.

Trên hết là phải có một kỹ thuật cho phép thiết kế và chế tạo sản phẩm mới trong thời gian ngắn nhất và giá thành hạ.

Một cách tiếp cận hiện đại về chất lượng sản phẩm hiện nay là hỏng hóc bằng không.

61


• Trong một công ty, thuật ngữ chất lượng tổng cộng nhấn mạnh việc đạt được chất lượng cao là đáp ứng yêu cầu của mọi thành viên trong một tổ chức chứ không chỉ cho một hoặc một nhóm thành viên.

• Có hai cách tiếp cận với khái niệm chất lượng tổng cộng: cách tiếp cận hệ thống và cách tiếp cận cải tiến liên tục.

62


• Một số kỹ thuật mới được đưa ra nhằm đáp ứng được các yêu cầu mới hiện nay. Kỹ thuật này bao gồm các kỹ thuật đảm bảo chất lượng, bắt đầu từ giai đoạn đầu tiên nhận biết các nhu cầu của khách hàng đến các nguyên công của quá trình sản xuất.

• Nó bao gồm các phương pháp hệ thống hoá nhằm thoả mãn các yêu cầu của sản phẩm, các phương pháp nhận biết hỏng hóc và các nguyên nhân gây hỏng hóc.

63


CAD CAM

CAPP CAPM

Hình học

Hìn

h h

ọc

Phiếu Vật liệu

Ưu

tiê

n

Qui trình

Nhu cầu thị trường

Chiến lược sản xuất

Hồ sơ năng lực sản xuất của phân xưởng

Năng lực phân xưởng

Sản xuất

64

CÁC MÔ HÌNH SẢN XUẤT VÀ THIẾT KẾ

• Nhóm kỹ thuật thứ hai ở đây là gia công có sự trợ giúp của máy tính (CAM – Computer Aided manufacturing)

• Việc hợp tác giữa các chức năng kỹ thuật khác nhau dẫn đến việc chia sẻ tài nguyên và sự trợ giúp của máy tính.

65

• Nói một cách cụ thể thì dữ liệu hình học của CAD được sử dụng để phát ra các chỉ dẫn cho quá trình gia công trong hệ thống sản xuất điều khiển số, và quá trình lập kế hoạch sản xuất (CAPP - Computer Aided Process Planning)

• Các hoạt động này được cung cấp dưới dạng thông tin cùng với phiếu vật liệu (BOM) từ CAD cho quá trình quản lý sản xuất (CAPM – Computer Aided Production Management)

• Sự tích hợp các hoạt động sản xuất với sự trợ giúp của máy tính và một cơ sở dữ liệu chia sẻ gọi là hệ thống sản xuất tích hợp máy tính (CIM). Dữ liệu trao đổi giữa các hoạt động của môi trường CIM như trên hình vẽ.

66


• Những nghiên cứu chính tập trung vào giao diện giữa CAD và CAM để phát triển các hệ thống lập kế hoạch sản xuất có sự trợ giúp của máy tính nhằm tự động hoá quá trình kết nối giữa nhà thiết kế với các kỹ sư sản xuất.

• Tuy nhiên hệ thống này có xu hướng tập trung vào các chức năng tự động lập kế hoạch truyền thống cho phép tự động phát ra các kế hoạch cho sản xuất.

67


CAPP

Phân tích sản phẩm Kế hoạch quá trình

Cần phải có các nhận thức cần thiết để liên kết giữa nhà thiết kế và các kỹ sư sản xuất và kỹ thuật lắp ghép trong lĩnh vực của hệ thống lập kế hoạch sản xuất với sự trợ gíup của máy tính.

Các kỹ thuật này được sử dụng trong phân tích sản phẩm và quá trình, một hoạt động cho phép các chức năng sản xuất ảnh hưởng đến các chức năng thiết kế để đảm bảo nhà thiết kế nhận thức được ảnh hưởng của thiết kế đến quá trình sản xuất.

68


• Do đó một công cụ lập kế hoạch sản xuất bao gồm hai chức năng riêng biệt: Phân tích sản phẩm/quá trình và lập kế hoạch hợp lý.

Phân tích sản phẩm Kế hoạch quá trình

CAD

CAM69


CHƯƠNG 2

CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA MÔ HÌNH HÓA HÌNH HỌC

70

Biến đổi hình học là một chức năng không thể thiếu được trong bất kỳ một hệ CAD/CAM. Các phép biến đổi hình học bao gồm di chuyển, quay, thu nhỏ, đối xứng, bóp méo trong một hệ trục tọa độ. Biến đổi hình học là làm cho mô hình bị thay đổi kích thước, tọa độ trong không gian chứ không phải thay đổi điểm nhìn hay sử dụng các phép chiếu khác nhau.Một mô hình vật thể trên máy tính suy cho cùng việc lưu trữ và tính toán nó được thực hiện trên các điểm đặc biệt cho dù nó là bất kì hình gì: Khung dây hay khối rắn.

Các phép biến đổi hình học

ChÝnh vì vậy việc nghiên cứu biến đổi hình học của các mô hình được đưa về nghiên cứu cơ sở toán học của các phép biến đổi tọa độ điểm. Có hai quan điểm về biến đổi hình học của các đối tượng:+ Biến đổi tọa độ của đối tượng trong một hệ trục tọa độ cố định.+ Biến đổi hệ tọa độ.

Các phép biến đổi hình học

71

Các phép biến đổi trong mặt phẳng

• 1. Phép di chuyển

• 2. Phép thu phóng so với gốc tọa độ

• 3. Phép quay quanh gốc tọa độ

72

Phép di chuyển tịnh tiến: • Di chuyển– Đối tượng: P(x,y)• Lượng di chuyển– Theo phương x là dx– Theo phương y là dy• Tìm kết quả của di chuyển– Điểm P’(x’,y’): x’ = x + dx và y’ = y + dy

73

Phép thu phóng so với gốc tọa độ:• Thu phóng– Đối tượng: P(x,y)• Hệ số thu phóng– Theo phương x là sx

– Theo phương y là sy

• Tìm kết quả của phép thu phóngĐiểm P’(x’,y’): x’ = sx.x và y’ = sy.y

74

Phép quay quanh so với gốc tọa độ:• Quay – Đối tượng: P(x,y)• Góc quay: • Tìm kết quả của phép quayĐiểm P’(x’,y’):

75

Hệ tọa độ thuần nhấtSự cần thiết:– Sự không đồng nhất trong cách biểu diễn các phép Biểu diễn Hình học

• Tịnh tiến: P’ = P + T• Thu phóng: P’ = S.P• Quay: P’= R.P

– Sự không đồng nhất gây khó khăn trong lập trình tính toán

• Đối tượng: P(x, y)• Biểu diễn trong HTĐ thuần nhất:P(xh, yh, h) (Đk: h ≠ 0 )• Liên hệ

• Chọn h = 1

• Biểu diễn đối tượng trong HTĐ thuần nhất– Đối tượng 2 chiều: P(x, y, 1)– Đối tượng 3 chiều: P(x, y, z, 1)

76

Phép biến đổi hình học dùng hệ tọa độ thuần nhất

Biểu diễn các phép biến đổi dưới dạng đồng nhất: Nhân ma trận: P’ = M.P– Trong đó:• P: Toạ độ của đối tượng trước biểu diễn• P’: Toạ độ của đối tượng sau biểu diễn• M: Ma trận biến đổi

Tịnh tiến Thu phóng

Quay

77

78


Biến đổi liên tục = Nhân liên liên tục ma trận biến đổi• Thứ tự: BĐ trước = viết gần đối tượng• VD:– Tịnh tiến >> Quay >> Thu phóng– P’ = S(sx, sy).R(). T(dx, dy).P

79


Phép BĐHH 3D

Có thể mở rộng các phép BĐHH trong không gian 2D sang không gian 3D• Biểu diễn các BĐHH thông qua phép nhân ma trận, sử dụng hệ tọa độ thuần nhất• Biểu diễn toán học: Phép nhân 4x4

Ma trận biến đổi

80

Quy ước hệ tọa độ thuần nhất

Quy ước chiều quay thuận

81

Phép tịnh tiến

Phép thu phóng

82

Phép quay 3 chiều

Quay quanh các trục tọa độ

Quay quanh trục x

Quay quanh trục z

Quay quanh trục y

83

Phép biến dạng

84

Phép biến dạng(secondary translation)

Chỉ thay đổi Hoành độ Tung độ

85

Phép lấy đối xứng(reflections-secondary translation)

• Thay đổi dấu– Thành phần x– Thành phần y– Hoặc cả 2– ĐX qua trục hoành– ĐX qua trục tung– ĐX qua gốc TĐ• Chính là phép thu phóng, với 1) sx = -12) sy = -13) sx = -1 và sy = -1

86

Vai trò của gốc TĐ trong BĐHH

• Phép Tịnh tiến không phụ thuộc vào vị trí gốc TĐ• Các phép BĐ khác phụ thuộc vào vị trí gốc TĐ

87

– Đưa chuẩn về gốc TĐ– Thực hiện phép biến đổi (bình thường!)– Tính toán chuyển HTĐ về chuẩn– Chuẩn <-> Gốc TĐ

Phép thu phóng– Vật thể P– Gốc P1– Toạ độ gốc P1 (dx, dy)– TĐ lệ thu phóng sx, sy– Tìm P’

88

BĐHH có chuẩn khác gốc TĐ

89

• Chuyển chuẩn thu phóng về gốc tọa độ: P P*• Thực hiện phép thu phóng quanh gốc: P * P**• Chuyển ngược lại chuẩn thu phóng về P1: P** P’• Biểu diễn toán học của chuẩn thao tác dưới dạng MT:• P’ = T(+dx,+ dy) . S(sx, sy). T(-dx,- dy) . P


• Phép quay– Vật thể P– Gốc P1– Tọa độ gốc P1 (dx, dy)– Góc quay – Tìm P’


90

Chuyển chuẩn quay về gốc tọa độ : P P*• Thực hiện phép quay quanh gốc tọa độ : P * P**• Chuyển ngược lại chuẩn quay về P1: P** P’• Biểu diễn toán học của chuẩn thao tác dưới dạng MT: • P’ = T(+dx,+ dy) . R() . T(-dx,- dy) . P

91


Bài tập ví dụ

92

Cho tam giác ABC với toạ độ đỉnh như hình vẽ. Viết công thức và tính toạ độ tam giác ABC sau khi thực hiện:- Phép phóng to 2 lần so với điểm M(2,3) rồi quay 1 góc 900 quanh N(6,1).- Phép đối xứng qua trục d1

- Phép đối xứng qua trục d2

93

Để làm gì?– Biểu diễn vật thể 3D thông qua 2D

• Trên màn hình• Trên bản vẽ

Đặc tính– Thay đổi trong kích thước– Bị bóp méo

Các kỹ thuật cơ bản– Phép chiếu song song (parallel projection)– Phép chiếu phối cảnh (perspective projection)

94

• Tia chiếu: (ray)Các đường thẳng đi qua các đỉnh của đối tượng

• Tâm chiếu: (center of projection)Điểm hội tụ của các tia chiếu.

• Mặt phẳng chiếu (view plane):Mặt phẳng trên đó vật được quan sát

• Điểm chiếu:Giao điểm của các tia với mặt phẳng chiếu, chính

là hình chiếu của các đỉnh• Giả sử: Mặt phẳng chiếu là mặt phẳng z = 0

125

Không liên tục

C0 liên tục (vị trí)

C1 liên tục (độ dốc)

C2 liên tục (độ cong)

Ví dụ

136

Tìm ma trận hệ số hình học cho đường cong tham số bậc 3.Biết:- Cho t = 0 thì (2,20,2) nằm trên đường cong và P’(0)=(x1,0,4x1)- Cho t = 1 thì (10,20,2) nằm trên đường cong và P’(1)=(x2,0,-2x2)- Cho t = 0,5 thì (6,20,6) nằm trên đường cong

Ví dụ• Cho 2 đường cong Bezier được nối với nhau

và được định nghĩa bởi các điểm điều khiển sau:

Đường thứ 1: A(2,3,4) B(3,1,5) C(x,y,z) D(3,4,3)

Đường thứ 2: D(3,4,3) E(2,6,0) F(5,7,5) G(5,2,3)

Xác định x,y,z để đường cong thỏa mãn độ liên tục C1

145

P(u,v) = (1 - v)G(u) + vQ(u), với 0 ≤ u ≤ 1, 0 ≤ v ≤ 1

PT mặt kẻ163