C4 CAD- CAM> CO SO CAD 1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH
Chương 4
CƠ SỞ CỦA CAD
4.1 GIỚI THIỆU CHUNG.
4.1.1. Xác định một hệ CAD.
Các hệ CAD hiện đại (còn gọi là CAD/CAM) được xây dựng trên cơ sở đồ hoạ máy
tính tương tác (Interative Computer Graphics) viết tắt là ICG. Hệ thống đồ hoạ máy tính
tương tác là một hệ hướng đến người sử dụng, trong đó máy tính được dùng để tạo ra,
chuyển đổi và hiển thị dữ liệu dưới dạng các hình vẽ hay biểu tượng. Người sử dụng ở đây
là nhà thiết kế, thực hiện truyền dữ liệu và ra lệnh cho các máy tính thông qua một số thiết
bị vào (INPUT) như chuột, bàn phím ...Còn máy tính thì liên lạc với con người thông qua
màn hình CRT (CRT viết tắt từ chữ Catode Ray Tube- ống phóng chùm tia âm cực). Người
sử dụng tạo ra một hình ảnh trên màn hình CRT bằng cách vào lệnh để gọi những chương
trình con (Subroutine) cần thiết của phần mềm lưu trữ trong bộ nhớ máy tính. Hình ảnh
được xây dựng từ những phần tử hình học cơ bản như điểm, đường thẳng, vòng tròn v.v...
Hình ảnh đó có thể được sửa đổi tuỳ theo lệnh của con người như phóng to, thu nhỏ, di
chuyển vị trí trên màn hình và theo các phép biến đổi khác.Thông qua các thao tác này mà
những chi tiết cần thiết của hình ảnh sẽ được tạo ra theo ý muốn của người thiết kế.
Một hệ thống ICG điển hình bao gồm phần cứng và phần mềm .
* Phần cứng gồm có bộ phận xử lý trung tâm (CPU), một hoặc nhiều trạm công tác
(Work Station) kể cả những terminal hiển thị đồ hoạ, và các thiết bị ngoại vi như máy vẽ,
máy in, v.v...
* Phần mềm gồm các chương trình máy tính để thực hiện việc xử lí đồ hoạ trên hệ thống.
Thông thường các chương trình ứng dụng lập ra để thực hiện các chức năng cụ thể của hãng
hay công ty. Ví dụ hãng thiết kế xây dựng thường phải có phần mềm phân tích ứng suất -
biến dạng, hãng thiết kế - chế tạo máy thường phải có phần mềm phân tích động lực học cơ
cấu, hãng thiết kế công nghiệp hoá chất nào cũng có phần mềm về truyền nhiệt và hệ thống
đường ống, v.v...
Hệ ICG chỉ là một bộ phận của công tác thiết kế có sử dụng máy tính mà thôi, phần
quan trọng chính là người thiết kế. Hệ ICG là công cụ trong tay người sử dụng để giải quyết
những vấn đề về thiết kế công trình. Ở đây người sử dụng đảm nhận những kĩ năng sáng tạo
của con người, còn máy tính đảm nhiệm phần việc phù hợp với nó nhất (tốc độ tính toán,
hiển thị hình ảnh, lưu trữ dữ liệu số lượng lớn ...)
Sử dụng hệ CAD (hệ ICG) cho phép ta đạt được các thuận lợi sau:
1. Nâng cao năng suất thiết kế của người kĩ sư:
• Hiển thị hoá sản phẩm và các bộ phận cấu thành sản phẩm lên màn hình máy
tính.
• Giảm thời gian tổng hợp, phân tích và lập hồ sơ, tư liệu thiết kế cho người kĩ sư.
• Hạ giá thành sản phẩm và giảm thời gian thiết kế.
2. Nâng cao chất lượng thiết kế:
• Cho phép phân tích kĩ thuật một cách toàn diện và thấu đáo hơn.
• Cho phép đưa ra nhiều phương án để phân tích, so sánh.
C4 CAD- CAM> CO SO CAD 2 GVC NGUYỄN THẾ TRANH
• Giảm sai sót trong thiết kế, nâng cao độ chính xác của bản đồ án.
3. Cải thiện và nâng cao điều kiện trao đổi thông tin:
• Tạo ra các bản vẽ kỹ thuật tốt hơn so với thiết kế truyền thống.
• Tiêu chuẩn hoá trong các bản vẽ cao hơn.
• Chất lượng hồ sơ, tư liệu thiết kế cao hơn.
• Bản vẽ đẹp, rõ ràng và ít sai sót.
4. Tạo ra một cơ sở dữ liệu trong máy tính để phục vụ cho giai đoạn chế tạo.
Trong quá trình xây dựng hồ sơ tư liệu thiết kế cho một sản phẩm, các chi tiết tạo nên
sản phẩm, đặc tính kỹ thuật, vật liệu v.v... sẽ tạo những cơ sở dữ liệu cần cho việc chế
tạo sản phẩm, đồng thời cũng được tạo ra và lưu trữ trong bộ nhớ của máy tính.
4.1.2. Lịch sử phát triển
Lịch sử phát triển của CAD liên quan trực tiếp tới sự phát triển của đồ hoạ máy tính.
Đương nhiên CAD bao hàm một nội dung rộng lớn hơn đồ hoạ máy tính, song hệ ICG là
bộ phận cơ bản của CAD. Lịch sử phát triển của đồ hoạ máy tính diễn biến qua nhiều thời
kỳ:
• 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 Massachusetts vào giữa thập
kỷ 50. APT là chữ viết tắt của thuật ngữ Automatically Programed Tools, có
nghĩa là “máy công cụ được lập trình tự động”. Dự án này có quan hệ mật thiết
với ý tưởng triển khai một phương pháp thuận tiện để thông qua máy tính xác
định các yếu tố hình học phục vụ việc lập trình cho máy công cụ điều khiển số.
Mặc dù sự phát triển của APT là một cột mốc quan trọng trong lĩnh vực đồ hoạ
máy tính, nhưng việc sử dụng ngôn ngữ APT trước đây lại ít liên quan với đồ hoạ
máy tính.
• Một ý tưởng khác, ra đời vào khoảng cuối thập kỷ 50 có tên là “bút quang”. Ý
tưởng về bút quang xuất hiện khi nghiên cứu cách xử lý dữ liệu ra đa của một dự
án quốc phòng gọi là SAGE (Semi-Automatic Ground Environment system). Mục
đích của dự án này là triển khai một hệ thống phân tích dữ liệu rađa và làm rõ
mục đích được coi là máy bay địch trên màn hình CRT. Để tiết kiệm thời gian
vào việc hiển thị máy bay đánh chặn của chủ nhà chống lại máy bay địch, người
ta nghĩ ra bút quang, dụng cụ dùng để vẽ hình ảnh trực tiếp lên màn hình và giúp
cho CPU nhận biết vị trí cụ thể của màn hình vừa được bút quang tiếp xúc.
• Năm 1963 Ivan Sutherland công bố một số kết quả đầu tiên về đồ hoạ máy tính,
cho phép tạo ra và làm chủ các hình ảnh trong thời gian thực trên màn hành CRT.
• Nhiều tập đoàn công nghiệp như General Motors, IBM, Lockheed-Georgia, Itek
Corp, Mc. Ponell, v.v... đã bắt đầu thực hiện những dự án về đồ hoạ máy tính từ
những năm 60. 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. Các hãng này
bán trọn gói theo kiểu chìa khoá trao tay, trong đó gồm có hều hết hoặc toàn bộ
phần cứng và phần mềm theo yêu cầu của khách hàng. Một số hãng khác phát
triển theo hướng cung cấp phần mềm đồ hoạ như hãng Pat Hanratti mà công ty
thành viên của nó là MCS đã cho ra đời AD 2000 (với phiên bản sau đó là
ANVIL 4000), được coi là gói phần mềm CAD phổ dụng.
C4 CAD- CAM> CO SO CAD 3 GVC NGUYỄN THẾ TRANH
Ngày nay CAD/CAM thực sự đã trở thành một công nghệ có tốc độ phát triển cực
kỳ nhanh chóng, rât nhiều hãng sản xuất và cung cấp sản phẩm trong lĩnh vực này. Trong
đó có AutoCAD ra đời từ cuối năm 1982 đến nay đã có Version 14 chạy trên Windows;
AutoCAD 2000 và AutoCADIX chạy trên Windows và trên mạng Internet; hãng Gulf
Publishing với các phần mềm thiết kế, dạy học và tư vấn trong lĩnh vực hoá chất và dầu
khí, được thành lập từ năm 1985 tại London.
• Ở Việt Nam, CAD/CAM xuất hiện thông qua các phần mềm mua của nước ngoài
để học tập, nghiên cứu và ứng dụng. Tuy nhiên cũng đã có những cố gắng bước
dầu theo hướng tự sản xuất phần mềm trong nước. Chẳng hạn Viện Tin học năm
1992 đã cho ra đời gói phần mềm TOWER để trợ giúp thiết kế mẫu thảm len
trong khuôn khổ Dự án VIE/88/035, năm 1988 Công ty tư nhân Hải Hoá cho ra
đời gói phần mềm thiết kế kiến trúc - xây dựng...
4.2 QÚA TRÌNH THIẾT KẾ
Có thể nói quá trình thiết kế là một quá trình lặp, gồm các bước cơ bản sau :
1. Phát hiện nhu cầu.
2. Xác định vấn đề.
3. Tổng hợp.
4. Phân tích và tối ưu hoá.
5. Đánh giá.
6. Thể hiện.
• Phát hiện nhu cầu là bước đầu tiên, thường do một người nào đó phát hiện ra,
đôi khi bất ngờ, rằng ở một nơi nào đó có một vấn đề cần xem xét, sửa chữa, bổ
sung. Nó có thể là một nhược điểm của một cỗ máy đang sử dụng do người kỹ sư
nhận ra, cũng có thể là một nhu cầu mới của khách hàng do người tiếp thị nhận
biết được.
• Xác nhận vấn đề liên quan đến việc xác định đặc tính kỹ thuật tổng quát của mặt
hàng sẽ được thiết kế ra, gồm: các đặc tính và chức năng, giá thành, chất lượng,
vận hành...
• Tổng hợp và phân tích là hai bước liên quan mật thiết với nhau và có tính lặp
cao trong quá trình thiết kế. Một chi tiết hay một bộ phận cấu thành một sản
phẩm hoàn chỉnh như một máy chẳng hạn, sẽ được người thiết kế trừu xuất hoá,
phân tích, cải tiến thông qua bước phân tích này rồi được thiết kế lại cho phù hợp
hơn. Quá trình đó được lặp đi lặp lại cho đến khi nào bản thiết kế là tối ưu theo
những điều kiện ràng buộc đặt ra cho người thiết kế. Rồi chi tiết hay bộ phận đó
được tổng hợp vào trong cái chung (một máy hoàn chỉnh chẳng hạn) mà nó là
một bộ phận hợp thành, theo một quá trình lặp như trên.
• Đánh giá một bản thiết kế là căn cứ vào các yêu cầu kỹ thuật được thiết lập trong
bước xác định vấn đề để ước lượng, cân nhắc, đo lường xem nó đạt được đến đâu.
Việc đánh giá này thường cần đến sự chế tạo và thử nghiệm một mẫu thật để xem
xét chức năng vận hành, chất lượng, độ tin cậy và các chỉ tiêu khác.
• Thể hiện là bước cuối cùng của quá trình thiết kế. Nó bao gồm việc thiết lập tư
liệu thiết kế trong đó có các bản vẽ, các thuyết minh kỹ thuật, vật liệu chế tạo,
bảng liệt kê các chi tiết và bộ phận lắp ghép v.v... Việc lập tư liệu chủ yếu là phải
tạo ra được môt cơ sở dữ liệu về thiết kế. Hình 5.1 thể hiện các bước chủ yếu của
quá trình thiết kế trong đó cho thấy bản chất lặp của quá trình này.
C4 CAD- CAM> CO SO CAD 4 GVC NGUYỄN THẾ TRANH
Hình 4.1. Quá trình thiết kế
Theo truyền thống, công tác thiết kế kỹ thuật được tiến hành trên bàn vẽ trong đó bản
thiết kế được thiết lập dưới dạng các bản vẽ kỹ thuật. Tuỳ theo từng lĩnh vực mà bản thiết
kế có những yêu cầu riêng, chẳng hạn thiết kế cơ khí, ngoài bản vẽ tổng thể, các bản vẽ chi
tiết và các bản vẽ cụm, còn kèm theo bản vẽ dụng cụ cắt gọt và đồ gá để chế tạo ra sản
phẩm. Thiết kế điện gồm các sơ đồ mạch, đặc tính kỹ thuật của các linh kiện điện tử v.v...
Bản thiết kế của các lĩnh vực khác như xây dựng, hoá chất, chế tạo máy bay, ngoài đặc
điểm chung cơ bản, cũng có những nét đặc thù riêng như vậy. Trong từng lĩnh vực nói trên,
phương pháp tiếp cận truyền thống là tổng hợp một bản thiết kế sơ bộ theo cách thủ công rồi
mới qua phân tích dưới một dạng nào đó. Bước phân tích này có thể gồm những bản tính
toán kỹ thuật phức tạp hoặc phải qua đánh giá hoàn toàn chủ quan về phương diện thẩm mỹ
mà bản thiết kế yêu cầu. Quá trình phân tích là để đạt được những cải thiện trong những chỉ
tiêu cụ thể và như đã nói ở trên, đây là một quá trình lặp. Cứ mỗi lần lặp, chỉ tiêu được cải
thiện thêm một ít đồng thời cũng tiêu hao thêm một lượng lao động tương ứng. Nếu không
có sự tham gia của máy tính thì sự tiêu hao này sẽ có thể là rất lớn để hoàn thiện một đồ án
thiết kế. Vì vậy dưới dây chúng ta sẽ xem xét vấn đề ứng dụng máy tính vào công tác thiết
kế như thế nào.
4.3. ỨNG DỤNG MÁY TÍNH VÀO CÔNG TÁC THIẾT KẾ.
Các nhiệm vụ liên quan đến thiết kế mà một hệ CAD hiện đại thực hiện có thể chia
ra làm 4 lĩnh vực sau:
• Mô hình hoá hình học.
Phát hiện nhu cầu
Xác định vấn đề
Tổng hợp
Phân tích
và tối ưu hoá
Đánh giá
Thể hiện
C4 CAD- CAM> CO SO CAD 5 GVC NGUYỄN THẾ TRANH
• Phân tích kỹ thuật.
• Rà soát và đánh giá thiết kế.
• Vẽ tự động.
4.3.1. Mô hình hoá hình học.
Trong CAD, mô hình hoá hình học tương ứng với giai đoạn tổng hợp, đòi hỏi mô tả
hình dáng hình học của một đối tượng dưới dạng toán học theo cách máy tính có thể xử lý
được. Mô hình toán học cho phép hình ảnh của đối tượng có thể hiển thị và thao tác trên
màn hình máy tính thông qua tín hiệu lấy từ CPU của hệ CAD. Phần mềm đồ hoạ phải được
thiết kế sao cho thuận tiện và có hiệu quả với máy tính và cả người sử dụng.
Quá trình thiết kế Thiết kế có hỗ trợ của CAD
Hình 4.2. Ứng dụng máy tính vào quá trình thiết kế
Trong lĩnh vực mô hình hoá hình học, người thiết kế xây dựng những hình ảnh của
đối tượng trên màn hình máy tính bằng 3 loại lệnh:
- Loại lệnh tạo nên những yếu tố hình học cơ bản như điểm, đường thẳng, vòng
tròn...
- Loại lệnh thực hiện các phép biến đổi như dịch chuyển, thu nhỏ, phóng to, quay...
- Loại lệnh làm cho các yếu tố hình học liên kết lại thành một hình dạng mong
muốn.
Trong quá trình này, máy tính chuyển đổi các lệnh thành hững mô hình toán học
tương ứng rồi lưu trữ mô hình toán đó vào các tệp dữ liệu của máy tính và hiển thị nó thành
một hình ảnh trên màn hình CRT. Mô hình toán nói trên cuối cùng có thể gọi ra từ các tệp
dữ liệu để xem xét lại, phân tích hoặc sửa đổi.
Có các phương pháp khác để biểu diễn đối tượng thành mô hình hình học:
Phát hiện nhu cầu
Xác định vấn đề
Tổng hợp
Phân tích
và tối ưu hoá
Đánh giá
Thể hiện
Mô hình hoá
hình h
ọ
c
Phân tích
kỹ thuật
Rà soát và
đánh giá
Vẽ tự động