Các chức năng và công nghệ của hệ cad hiện đại

[hui]

CAD xuất hiện vào trước năm 1960, với tư cách là công cụ vẽ (Drafting Tool). Vì vậy, trước đây nó được gọi là "cây bút chì điện tử" (Electronic Pencil). Ngày nay, chức năng vẽ vẫn không thể thiếu được đối với CAD. Theo thời gian, CAD được tích hợp nhiều chức năng mới. Nhờ các chức năng này mà CAD đã trở thành công cụ tuyệt vời không chỉ cho các nhà thiết kế mà cả các nhà kinh doanh, quản lý, nghệ thuật, quân sự,... Sau đây là các chức chính của các hệ CAD hiện đại.
1. Chức năng vẽ
2. Chức năng mô hình hoá
Với các hệ CAD hiện đại, đối tượng làm việc chủ yếu của kỹ sư thiết kế không phải bản vẽ mà là mô hình.

​

Bản vẽ đúng là ngôn ngữ của người kỹ sư, nhưng nó chứa các hình chiếu, hình cắt, kích thước, các chú giải với những quy ước mà chỉ người kỹ sư mới hiểu được. Bản vẽ là một tài liệu "chết". Còn với mô hình, chúng ta có thể tháo, lắp, quan sát từ các góc độ, cự ly khác nhau; có thể tra khối lượng, thể tích của các chi tiết hoặc cụm chi tiết; có thể "vận hành" nó để khảo sát động học, động lực học của các cơ cấu; có thể tính ứng suất và biến dạng của các chi tiết,... Điều vừa nói được minh hoạ qua hình trên. Đó là mô hình (bên trái) và bản vẽ lắp (bên phải) của một chiếc bơm piston. Nếu để ý, chúng ta có thể thấy trong mô hình, chiếc bơm đã được "tháo vỏ" để quan sát được bên trong.
3. Chức năng phân tích
Đó là chức năng tính toán động học, động lực học, nhiệt, ứng suất, biến dạng,... của các chi tiết, cơ cấu, thiết bị và hệ thống. Các công cụ tính toán, phân tích trên xuất hiện độc lập với CAD, nhưng đã được tích hợp vào CAD để tận dụng khả năng đồ hoạ kỹ thuật ngày càng mạnh của nó. Sự tích hợp các chức năng phân tích vào CAD làm xuất hiện một thuật ngữ mới: CAE (Computer Aided Engineering). Nhờ CAE, chúng ta

có thể tạo và khảo sát các đối tượng và quá trình một cách trực quan. Hình bên là ví dụ về chức năng mô phỏng động lực học của máy bơm. Đồ thị ghi lại chuyển vị và vận tốc của đầu piston nhờ sự dẫn động của vành quay. Chức năng nữa hay gặp trong các phần mềm CAD là tính toán cơ học và nhiệt nhờ phương pháp phần tử hữu hạn.
Phần lớn hệ CAD có chức năng tính toán các bộ truyền cơ khí thông dụng, như bánh răng, xích, đai, cam,... kèm theo thư viện chi tiết tiêu chuẩn, như ổ lăn, vòng bít, trục, chi tiết kẹp chặt,.. Chúng còn có thể nối ghép với các modul chuyên dùng, như thiết kế khuôn, thiết kế đường ống, thiết kế chi tiết vỏ mỏng,...
4. Chức năng quản lý
Đó là chức năng lập kế hoạch sản xuất, kế hoạch cung ứng nguyên vật liệu, trình diễn cho khách hàng, huấn luyện,... Đây là chức năng mới, nhưng có nhiều hứa hẹn và không thể thiếu được đối với sản xuất hiện đại.

 

[hui]

Chức năng vẽ dù tốt đến đâu thì cũng không thể đảm bảo cho CAD thành công cụ trợ giúp thiết kế thực sự. Muốn có môi trường thiết kế phải có CAD 3D với chức năng mô hình hoá và phân tích mạnh với các công nghệ thiết kế mới. Các công nghệ này đảm bảo cho người kỹ sư thiết kế theo "quy trình thuận", như trong sơ đồ dưới đây. Cần chú ý là toàn bộ các bước trên đều được thực hiện với CAD.

Các hệ CAD hiện đại đều sử dụng các công nghệ sau:
1. Thiết kế theo tham số (Parametric Design)
Với công nghệ này, thay vì phải vẽ chính xác ngay từ đầu (điều khó thực hiện), chúng ta bắt đầu bằng phác thảo, sau đó mới chính xác hoá bằng cách gán kích thước và các liên kết hình học cho đối tượng. Chúng ta cũng có thể gán mối quan hệ giữa các kích thước (ví dụ sự phụ thuộc của đường kính lỗ vào chiều dày moay ơ) để mỗi khi thay đổi chiều dày moay ơ thì đường kính tự động thay đổi theo. Sử dụng tham số làm cho quá trình thiết kế được mềm dẻo. Cũng nhờ công nghệ này mà người dùng có thể tự tạo các thư viện các chi tiết máy cho riêng mình.
2. Thiết kế hướng đối tượng (Feature Based Design)

Công nghệ này đánh dấu một bước tiến lớn trong công nghệ CAD. Thay vì làm việc với các đối tượng đơn giản, như đường thẳng, cung tròn, người dùng làm việc trực tiếp với các bề mặt (trụ, ren, rãnh then), với các chi tiết và cụm lắp ráp (xem hình bên). Nhờ vậy có thể tạo các mối ghép, các khớp, cặp truyền động như trong thế giới thực.
3. Thiết kế thích nghi (Adaptive Design)
Đến thời điểm này công nghệ thiết kế thích nghi còn rất mới, duy nhất chỉ có ở phần mềm Inventor của Autodesk. Nó cho phép tạo ra các mô hình "thông minh", tự thay đổi kích thước để lắp vừa với chi tiết đối ứng. Trường hợp dưới đây là một ví dụ: càng 1 (chi tiết thích nghi) không lắp vừa với vành 2 (chi tiết cố định) do kích thước của chúng khác nhau. Sau khi lắp được mặt bên trái, càng 1 tự thay đổi kích thước để lắp vừa mặt bên phải của vành 2. Công nghệ thích nghi giúp cho quá trình thiết kế được mềm dẻo và năng suất hơn.

 

[hui]

[FONT=&quot]3. KHÁI QUÁT VỀ MỘT SỐ HỆ CAD HIỆN CÓ Ở VIỆT NAM[/FONT]
[FONT=&quot]Số hệ CAD có thể gặp ở Việt Nam có thể đến vài chục, trong đó sản phẩm của các nhà cung cấp nổi tiếng bậc nhất thế giới đều đã có mặt. Phổ dụng nhất là nhóm các sản phẩm của Autodesk, một trong những hãng đứng hàng đầu thế giới về cung cấp các giải pháp và phần mềm thiết kế. Các phần mềm trợ giúp thiết kế cơ khí chủ yếu của Autodesk gồm có AutoCAD, Mechanical Desktop (MDT), Inventer. Bên cạnh đó, cũng thường gặp phần mềm rất mạnh của các hãng hàng đầu khác, như Cimatron, Pro/Engineer, SolidWorks. [/FONT]
[FONT=&quot]Với xu hướng toàn cầu hoá và trình độ thông tin như hiện nay thì việc cập nhật các chức năng và công nghệ tiên tiến khá dễ dàng. Điều đó thể hiện ở chỗ thời gian để các hãng đưa ra một version mới được rút ngắn rất nhanh. Một công nghệ mới ra đời tại hãng này thì chỉ mấy tháng sau đã thấy xuất hiện ở sản phẩm của hãng khác. Vì vậy, không thấy có sự khác biệt đáng kể về chức năng giữa các hệ CAD hiện có. Sự khác nhau có chăng là ở cách đóng gói, cách cung cấp các modul chức năng tới khách hàng như thế nào, mà đó là vì lý do thương mại.[/FONT]
[FONT=&quot]Pro/Engineer là phần mềm CAD/CAM/CAE của Parametric Technology Corp. một hãng lớn, có bề dày và doanh thu cao trên thị trường CAD thế giới. Mọi công việc về cơ khí: thiết kế thông thường, khuôn, phần tử hữu hạn, lắp ráp, CAM (lập trình cho máy phay tới 5 trục, tiện với trục C, cắt dây,...) đều có thể thực hiện trên Pro/E. và các modul mở rộng của nó. Nhược điểm lớn nhất của Pro/E. là rất khó học và khó sử dụng. Tuy chạy trong Windows nhưng giao diện người dùng không theo chuẩn Windows quen thuộc. Nhược điểm thứ hai của Pro/E. là quá đắt. Theo số liệu của các chuyên gia nước ngoài
[*] thì giá của Pro/E. cao gấp trên 4 lần giá của Mechnical Desktop, gấp gần 4 lần so với SolidWorks.[/FONT]
[FONT=&quot]SolidWorks là sản phẩm của hãng cùng tên (SolidWorks Corp.). Ưu điểm lớn nhất của nó là giao diện hoàn toàn tương thích với Windows và giá cả phải chăng. Nhược điểm của SolidWorks là chức năng vẽ (Draft) và mô hình hóa bề mặt hạn chế.[/FONT]
[FONT=&quot]Autodesk có 2 sản phầm thiết kế cơ khí chuyên dùng là Mechanical Desktop (MDT) và Inventor. MDT chạy trên nền AutoCAD nên mọi giao diện tương tự của AutoCAD. Inventor chạy độc lập. Bản thân MDT và Inventor là phần mềm CAD/CAE đảm nhiệm các chức năng thiết kế thông thường: mô hình hóa solid và bề mặt, phần tử hữu hạn, thư viện cơ khí, tính các bộ truyền,... Các công cụ đặc biệt khác, như thiết kế và chế tạo khuôn, CAM, phân tích động học và động lực học cơ hệ,... được phát triển bởi các nhà phát triển thứ 3 (MAI). Các công cụ này chạy trong môi trường MDT hoặc Inventor và kế thừa mọi chức năng sẵn có của chúng, nhưng là các modul tùy chọn. Khách hàng có thể chọn mua một hay nhiều modul tùy theo nhu cầu thực tế. Giải pháp đó khiến hệ thống bớt nặng nề và giảm đáng kể chi phí cho từng giải pháp kỹ thuật cụ thể. Các hệ CAD/CAE nói trên đáp ứng mọi nhu cầu thiết kế, phân tích và sản xuất, đồng thời có ưu điểm cơ bản là dễ sử dụng, giao diện người dùng thân thiện. Giá cả của chúng thuộc loại thấp. Giá cho một giải pháp CAD/CAM đầy đủ của Autodesk chỉ bằng khoảng một nửa của Pro/E., khoảng 2/3 của Cimatron.[/FONT]
[FONT=&quot]Một hệ CAD/CAM nữa được biết đến nhiều ở Việt Nam là Cimatron, sản phẩm của Israel. Về tính năng kỹ thuật, tính năng sử dụng và giá cả tương tự Pro/E.[/FONT]
[FONT=&quot]Bảng so sánh dưới đây được lấy từ tài liệu phân tích của nước ngoài , có giá trị tham khảo khi lựa chọn phần mềm.[/FONT]

[FONT=&quot]Giao diện người dùng là một chỉ tiêu hết sức quan trọng, vì có một thực tế là nhiều nhà thiết kế giỏi lại không giỏi về máy tính. Hơn nữa, giao diện tốt cho phép tăng năng suất thiết kế đến 200%. Xét về tính năng này thì Pro/E. và Cimatron đứng cuối bảng xếp hạng. Giao diện của chúng không theo chuẩn Windows, vốn đã thành nếp quen của người dùng máy tính. MDT, Inventor và SolidWorks tạo ra môi trường làm việc thoải mái cho người dùng nhờ các một hệ thống giao diện nhiều kênh, từ thanh và hộp công cụ đến menu chuẩn và gõ phím, phím gõ tắt,... Hệ thống như vậy đáp ứng tốt cho cả người dùng chuyên và không chuyên.[/FONT]
[FONT=&quot]

[/FONT]
[FONT=&quot]Hình trên, bên trái là giao diện của Inventor: nó có các thanh và hộp công cụ trực quan, gần như người dùng chỉ cần bấm chuột. Bên phải là giao diện của Cimatron, chỉ có các menu khô cứng, khó điều khiển.[/FONT]
[FONT=&quot]Nhờ giao diện tốt, Inventor cho phép phác hoạ 218%, Edit mô hình chi tiết:: 237%, mô hình lắp ráp: 197%, xử lý cụm lắp ráp với 1000 chi tiết: 182%, cụm 3000 chi tiết: 217%, xuất bản vẽ tiêu chuẩn: 272% nhanh hơn Pro/Engineer [1].[/FONT]
[FONT=&quot]Các sản phẩm của Autodesk và SolidWorks còn cung cấp cho người dùng một hệ thống trợ gíup, công cụ huấn luyện phong phú, thiết thực và tiện dụng. Nhờ thế, những ai đã làm quen với AutoCAD (số này chiếm tới 60% người dùng CAD) và Microsoft Windows đều có thể tiếp cận hệ thống này sau một vài ngày huấn luyện.[/FONT]