Giới thiệu

 

 

Mô hình hóa hình học, một lãnh vực phát triển nhanh chóng trong CAD, đóng vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế kỹ thuật, nó là một cuộc cách mạng trong việc ứng dụng máy tính vào quá trình thiết kế. Các phần mềm thiết kế 3D, được bắt đầu sử dụng vào những năm 1980, ngày càng phổ biến trong công nghiệp.

            Lịch sử phát triển mô hình 3D bắt đầu từ việc tạo mặt 2½  chiều, sau đó là dạng khung dây (wireframe), mặt cong (surface) và cuối cùng là mô hình khối rắn (solid). Hình 1 trình bày 4 thế hệ dữ liệu CAD.

                       

                                     Hình 1 Bốn thế hệ dữ liệu CAD 

 

            Mô hình dạng khung dây bao gồm các điểm trong không gian và các đường thẳng hoặc cong nối chúng lại với nhau. Các mặt không được tạo nên và chỉ có các đường biên, mô hình này chỉ có kích thước các cạnh nhưng không có thể tích (như mặt cong), hoặc khối lượng (như solid). Toàn bộ các đối tượng của mô hình đều được nhìn thấy.

Mô hình mặt cong biểu diễn đối tượng tốt hơn mô hình khung dây vì các cạnh của mô hình khung dây được trải bằng mặt được định nghĩa bằng các công thức toán học. Mô hình mặt của hộp chữ nhật giống như một hộp rỗng, có các cạnh và các mặt nhưng bên trong thì rỗng. Mô hình mặt cong có thể tích nhưng không có khối lượng.

Mô hình solid (khối rắn) là mô hình biểu diễn vật thể ba chiều hoàn chỉnh nhất. Mô hình này bao gồm các cạnh, mặt và các đặc điểm bên trong. Dùng các lệnh cắt solid ta có thể nhìn thấy toàn bộ bên trong mô hình. Mô hình dạng này có thể tính thể tích và tính các đặc tính về khối lượng.

            Các hệ thống mô hình hoá chia ra: không tham số và tham số. Trong hệ thống mô hình hoá không tham số (phần mềm AutoCAD) ta định vị trí, kích thước và hình dạng bằng các giá trị rõ ràng, chính xác. Sau khi tạo xong, hầu như không hiệu chỉnh được các giá trị này.

            Ngược lại trong hệ thống mô hình hoá tham số thì tất cả các tham số của tất cả các đối tượng được hiệu chỉnh bất kỳ lúc nào. Ta có thể gán các giá trị ban đầu bất kỳ, sau đó hiệu chỉnh chúng. Ưu điểm của mô hình hoá tham số là giúp ta trong giai đoạn xây dựng mô hình tập trung vào kiểu dáng và hình dạng của đối tượng mà không cần xác định kích thước chính xác. Ta hiệu chỉnh kích thước chính xác sau khi xây dựng mô hình.

           

Giới thiệu AutoCAD

Phiên bản đầu tiên của phần mềm AutoCAD xuất hiện vào năm 1982, hiện nay nay phiên bản mới  nhất là AutoCAD 2007. Ta có thể xuất mô hình 3D của AutoCAD thành các định dạng DXF, IGES, STL... để chuyển đổi dữ liệu cho các phần mềm CAD, CAD/CAM, CAD/CAE..., ví dụ cho các phần mềm máy điều khiển chương trình số, các phần mềm tính toán… Lệnh Stlout trong AutoCAD xuất mô hình solid thành định dạng file tương thích với các thiết bị tạo hình lập thể hoặc còn gọi là các thiết bị tạo mẫu nhanh. Các thiết bị này sử dụng các dữ liệu số máy tính để tạo các mô hình thật từ một số vật liệu. Ngoài ra ta còn có thể tạo các hình ảnh thật của vật thể từ các mô hình 3D bằng cách gán vật liệu, ánh sáng và tô bóng. Điều này rất cần thiết để biểu diễn mô hình trong các giai đoạn thiết kế và thiết lập tài liệu thiết kế.

Mô hình solid của AutoCAD có cấu trúc CSG (Constructive Solid Geometry). Trong AutoCAD  các  solid là các đối tượng của AutoCAD và có cấu trúc gọi là ACIS. Solid có cấu trúc ACIS còn gọi là mô hình lai (Hybrid modeler) vì nó duy trì hai dạng dữ liệu chủ yếu để mô tả mô hình là: dữ liệu không gian hình học (Geometric spatial data) và dữ liệu liên kết topo (Topographic data).

Dữ liệu không gian hình học mô tả mô hình theo giới hạn của kết cấu solid, giống như tạo các solid đa hợp theo cấu trúc CSG của AutoCAD. Dữ liệu liên kết topo hay còn gọi là biểu diễn biên (B-rep) dùng để tạo các mặt lưới đa giác. Mô hình dạng khối đa hợp (complex solid) là sự kết hợp  các solid cơ sở (như box, cylinder, wedge, sphere...) bằng các phép đại số boole (cộng, trừ, giaoTrong AutoCAD ta chỉ tạo native solid.

Trong AutoCAd 2007 thêm nhiều tính năng mới trong mô hình hoá 3D: Sweep, Loft, cắt solid bởi mặt cong …

 

Giới thiệu Autodesk Inventor

            Autodesk Inventor là công cụ mô hình hóa solid tham số. Nó có thể giúp ta tạo các mô hình solid tham số, kết hợp các chi tiết thành mô hình lắp, mô phỏng lắp ráp, tạo bản vẽ chi tiết và lắp.

            Autodesk Inventor bao gồm 4 dạng file: chi tiết (.ipt), mô hình lắp (.iam), mô phỏng lắp ráp (.ipn) và bản vẽ 2 chiếu (.idw).

            Autodesk Inventor là hệ thống mô hình hóa solid tham số trên cơ sở đặc tính. Để tạo mô hình solid bạn phân tích chúng thành các đặc tính có hình dạng đơn giản, xây dựng từng bước các đặc tính đơn giản và kết hợp chúng lại với nhau. Đối với chi tiết solid có ba dạng đặc tính: phác thảo (sketch), vị trí (place) và làm việc (work).

            Các đặc tính phác thảo được tạo từ các phác thảo.  Trong các hệ thống mô hình hóa solid, có 4 cách cơ bản để tạo các đặc tính phác thảo: Extrude, Revolve, Sweep và Loft. Phụ thuộc vào phác thảo (kín hoặc hở), vào kựa chọn của bạn mà ta có thể tạo solid hoặc mặt cong.

            Trong Autodesk Inventor bạn có thể tạo 2 dạng phác thảo: 2D và 3D. Để tạo đặc tính bằng các lệnh Extrude va Revolve bạn sử dụng 2D sketch. Đối với lệnh Sweep thì các biên dạng có thể là 2D hoặc 3D Sketch. Đối với đặc tính Loft thì các bịên dạng là 2D sketch, còn các đường dẫn (rail) là 2D hoặc 3D Sketch.

            Solid đầu tiên của chi tiết được tạo gọi là chi tiết cơ sớ, các solid sau đó của chi tiết được tạo bằng cách sử dụng các phép toán đại số Boole: giao (Intersect), hợp (Join) và hội (Cut).

            Ngoài 4 cách cơ bản để tạo đặc tính phác thảo, bạn còn có thể sử dụng các đặc tính sau: Rib (tạo gân), Emboss (tạo hình nổi) và Coil (tạo hình xoắn). Rib và Emboss thực hiện chức năng của đặc tính Extrude, còn Coil thực hiện chức năng Sweep.

            Ngoài các đặc tính phải thực hiện để tạo solid, bạn còn sử dụng các đặc tính đã có để tạo mô hình solid, các đặc tính này gọi là đặc tính vị trí, bao gồm: Hole (tạo lỗ), Fillet (bo tròn), Chamfer (vát mép), Sheel (tạo võ), Thread (tạo ren), Face draft (vuốt mặt).

            Để hỗ trợ cho công việc tạo các phác thảo và đặc tính ta sử dụng: work plane (mặt phẳng làm việc), work axis (trục làm việc). Work point (điểm làm việc). Chúng được gọi là các đặc tính làm việc.

            Ta có thể cắt solid bởi mặt cong để tạo các mô hình solid có mặt cong tự do bằng lệnh Split.

            Vì Autodesk Inventor là hệ thống mô hình hóa tham số, do đó ta có thể hiệu chỉnh các tham số của các đặc tính trong quá trình xây dựng mô hình hoặc sau khi đã xây dựng mô hình.

 

Cấu trúc các bài tập trong sách

          Các bài tập bao gồm:

-          Bài 1 tạo mô hình mặt cong trên AutoCAD.

-          Bài 2 Tạo mô hình native solid (trên AutoCAD.

-          Bài 3, 4 và 5 tạo mô hình solid tham số đơn giản trên Autodesk Inventor.

-          Bài 6, 7 tạo mô hình solid tham số với mặt cong phức tạp (vỏ điện thoại di động, máy chụp hình) trên Autodesk Inventor.

-          Bài 8 là mô hình kim loại tấm trên Autodesk Inventor.

-          Bài 9 là mô hình lắp ráp và mô phỏng lắp ráp (cơ cấu Man) trên Autodesk Inventor.

          Các lệnh sử dụng chủ yếu thống kê trong bảng sau.

 

Đặc tính

Lệnh

Bài 1

Bài 2

Bài 3

Bài 4

Bài 5

Bài 6

Bài 7

Bài 8

Bài 9

Spline

X

 

 

 

 

 

 

 

 

Edgesurf

X

 

 

 

 

 

 

 

 

UNI0N

 

X

 

 

 

 

 

 

 

Subtract

 

X

 

 

 

 

 

 

 

Extrude

 

X

X

 

 

 

X

 

 

Revolve

 

X

X

 

 

 

 

 

 

Sweep

 

 

 

X

X

X

X

 

 

Loft

 

 

 

X

 

X

 

 

 

2d Sketch

 

 

X

X

 

X

X

 

 

3d Sketch

 

 

 

X

X

 

 

 

 

Emboss

 

 

 

 

 

X

 

 

 

Hole

 

 

 

 

 

 

X

 

 

Fillet

 

 

X

X

 

X

X

 

 

Chamfer

 

 

X

 

 

 

 

 

 

Shell

 

 

 

X

 

X

 

 

 

Thread

 

 

X

 

 

 

 

 

 

Work Plane

 

 

X

X

 

 

X

 

 

Work Axis

 

 

X

 

 

 

 

 

 

Work Point

 

 

 

 

 

 

X

 

 

Split

 

 

 

 

 

X

X

 

 

Face

 

 

 

 

 

 

 

X

 

Flange

 

 

 

 

 

 

 

X

 

Corner Seam

 

 

 

 

 

 

 

X

 

Cut

 

 

 

 

 

 

 

X

 

Hem

 

 

 

 

 

 

 

X

 

Corner Round

 

 

 

 

 

 

 

X

 

Plat Pattern

 

 

 

 

 

 

 

X

 

Place Component

 

 

 

 

 

 

 

 

X

Place Constraint

 

 

 

 

 

 

 

 

X

Rotate

 

 

 

 

 

 

 

 

X

Content Center

 

 

 

 

 

 

 

 

X

Tweak Component

 

 

 

 

 

 

 

 

X

Animate

 

 

 

 

 

 

 

 

X

Base View

 

 

 

 

 

 

X

 

X

Balloon

 

 

 

 

 

 

 

 

X

Part List

 

 

 

 

 

 

 

 

X

Project  View

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sách này đã được sử dụng làm tài liệu thực hành cho sinh viên trong nhiều năm học. Cám ơn các em sinh viên nhiều thế hệ có nhiều ý kiến đóng góp và hỗ trợ để hoàn chỉnh các bài tập trong sách này. Xin cám ơn các bạn có ý kiến đóng góp, phê bình những thiếu sót của sách để cho các lần xuất bản lần sau sách được hoàn thiện hơn

Mọi ý kiến đóng góp, phê bình và thắc mắc xin gửi về địa chỉ:

 Nguyễn Hữu Lộc, Bộ môn Thiết kế máy, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 268 Lý Thường Kiệt, Quận 10 TP Hồ Chí Minh.

          Email: nhlcad@yahoo.com.