Đề tài Nghiên cứu ứng dụng phần mềm thiết kế 3D mã nguồn mở Free CAD trong quá trình thiết kế một số chi tiết đầu máy, toa xe

1.Giao diện khi thiết kế Sketch 18 Hình 2.2. Thiết kế một số biên dạng đơn giản 19 Hình 2.3. Giao diện khi làm việc với Draft 23 Hình 2.4. Hình ảnh khi làm việc với Part Design 23 Hình 2.5. Minh họa khi tạo bản phác thảo 24 Hình 2.6. Minh họa khi tạo một vật thể 3D 25 Hình 2.7. Minh họa chi tiết sau khi sử dụng các lệnh chỉnh sửa 26 Hình 2.8. Giao diện khi làm việc với Part 27 Hình 2.9. Minh họa một số chi tiết khi thiết kế với Part 29 Hình 2.10. Thiết kế Bánh răng 29 Hình 2.11. Bản vẽ tiêu chuẩn sau khi được thiết lập 30 Hình 2.12. Các tùy chọn khi xuất các hình chiếu 2D 30 Hình 2.13. Bản vẽ khi chưa có kích thước 31 Hình 2.14. Hình vẽ khi đã ghi kích thước 32 Hình 2.15. Dầm đơn giản ban đầu 32 Hình 2.16. Chọn vật liệu cho dầm 33 Hình 2.17. Đặt ràng buộc cho dầm 34 Hình 2.18. Đặt tải trọng cho dầm 34 Hình 2.19. Khởi chạy chương trình tính ứng suất, chuyển vị 35 Hình 2.20. Bảng kết quả ứng suất 36 Hình 2.21. Chuyển vị theo phương X được hiển thị theo màu, phía màu xanh lá là chuyển vị ít nhất, màu xanh dương là chuyển vị nhiều nhất 36 Hình 2.22. Chuyển vị theo phương Y được hiển thị theo màu, phía màu xanh là chuyển vị ít nhất, màu đỏ là chuyển vị nhiều nhất. 37 Hình 2.23. Chuyển vị theo phương Z được hiển thị theo màu, , phía màu xanh lá là chuyển vị ít nhất, màu xanh dương là chuyển vị lớn nhất. 37 Hình 2.24. Chuyển vị tổng cộng theo 3 phương X, Y, Z, cũng được hiển thị theo đồ thị màu, màu xanh là chuyển vị ít nhất, màu đỏ là chuyển vị lớn nhất. 37 Hình 2.25. Hiệu ứng đồ họa minh họa cho chuyển vị của dầm khi đặt tải trọng 37 Hình 3.1. Bộ trục bánh xe đầu máy D19E 39 Hình 3.2. Mô hình 3D trục bánh 40 Hình 3.3. Bản vẽ trục bánh xuất từ mô hình 3D 40 Hình 3.4. Mô hình 3D bánh xe 41 Hình 3.5. Bản vẽ bánh xe xuất từ mô hình 3D 41 Hình 3.6. Mô hình 3D bánh răng 42 Hình 3.7. Bản vẽ bánh răng xuất từ mô hình 3D 42 Hình 3.8. Các chi tiết của bộ trục bánh xe khi chưa lắp ráp 43 Hình 3.9. Lắp ráp bánh răng vào trục 43 Hình 3.10. Lắp ráp bánh xe phía không có bánh răng vào trục 44 Hình 3.11. Lắp ráp bánh xe còn lại vào trục hoàn thiện bộ trục bánh xe 44 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 2D Two Dimension 3D Three Dimension CAD Computer-aided design CAM Computer-aided manufacturing CAE Computer-aided engineering CAX Computer-aided technologies CNC Computer numerical control PLM Product lifecycle management TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng phần mềm thiết kế 3D mã nguồn mở FreeCAD trong quá trình thiết kế một số chi tiết đầu máy, toa xe. - Sinh viên thực hiện: Phan Trần Minh Đạt Nguyễn Đức Thông Trần Văn Quỳnh - Lớp: Tàu điện - Metro - K56 Khoa: Cơ khí Năm thứ: 2 Số năm đào tạo: 4 - Người hướng dẫn: KS. Nguyễn Đức Toàn 2. Mục tiêu đề tài: Sử dụng được phần mềm FreeCAD và ứng dụng phần mềm trong quá trình thiết kế một số chi tiết đầu máy, toa xe. 3. Tính mới và sáng tạo: - Nghiên cứu sử dụng phần mềm thiết kế 3D mã nguồn mở FreeCAD (miễn phí) thay thế cho các phần mềm thiết kế cơ khí thương mại có chi phí cao như Catia, Inventor, Solidworks, v.v. - Ứng dụng phần mềm trong quá trình thiết kế một số chi tiết đầu máy, toa xe. 4. Kết quả nghiên cứu: - Một tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm FreeCAD. - Bản vẽ thiết kế một số chi tiết đầu máy, toa xe. 5. Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài: Vấn đề sở hữu trí tuệ và bản quyền các phát minh, sáng chế cũng như các sản phẩm thương mại đã được các nước phát triển quan tâm và thực hiện từ lâu. Tuy nhiên, ở Việt Nam, vấn đề này mới chỉ trong giai đoạn bước đầu đưa vào thực hiện. Đây là vấn đề tất yếu cần được quan tâm trong quá trình hội nhập và phát triển của đất nước. Trong các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam, hầu hết các phần mềm hỗ trợ cho việc học tập, giảng dạy cũng như nghiên cứu khoa học trong việc thiết kế các chi tiết máy đều là các phần mềm thương mại đắt tiền như Catia, Inventor, Solidworks, (có giá tới hàng ngàn đô la Mỹ cho một bản). Tuy nhiên, trên thực tế, các phần mềm này hầu như không được mua bản quyền mà thường được sử dụng dưới dạng “bẻ khóa”. Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng phần mềm thiết kế 3D mã nguồn mở FreeCAD (miễn phí) thay thế cho các phần mềm thiết kế cơ khí thương mại có chi phí cao có ý thực tiễn cao trong quá trình hội nhập. Giúp giảm chi phí đào tạo. Hơn thế nữa, vì đây là phần mềm mã nguồn mở do đó nếu được đưa vào nghiên cứu có thể cải thiện, nâng cấp phần mềm có nhiều tính năng phù hợp và tiện lợi cho từng chuyên ngành. Thậm chí, nếu được đầu tư nghiên cứu hoàn thiện thì phần mềm này hoàn toàn có thể thương mại hóa theo đúng giấy phép mã nguồn mở của phần mềm. Đây cũng là xu hướng đã và đang được các trường đại học ở các nước tiên tiến thực hiện. 6. Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ họ tên tác giả, nhan đề và các yếu tố về xuất bản nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có): Ngày 14 tháng 04 năm 2017 Sinh viên chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài (ký, họ và tên) Phan Trần Minh Đạt Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của sinh viên thực hiện đề tài (phần này do người hướng dẫn ghi): Mặc dù mới là sinh viên năm thứ hai, nhóm sinh viên thực hiện đã nỗ lực để hoàn thành được các mục tiêu của đề tài. Ngày 14 tháng 04 năm 2017 Người hướng dẫn (ký, họ và tên) Nguyễn Đức Toàn MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài và lý do lựa chọn đề tài: Trong các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam, hầu hết các phần mềm hỗ trợ cho việc học tập, giảng dạy cũng như nghiên cứu khoa học trong việc thiết kế các chi tiết máy đều là các phần mềm thương mại đắt tiền như Catia, Inventor, Solidworks, (có giá tới hàng ngàn đô la Mỹ cho một bản). Tuy nhiên, trên thực tế, các phần mềm này hầu như không được mua bản quyền mà thường được sử dụng dưới dạng “bẻ khóa”. Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng phần mềm thiết kế 3D mã nguồn mở FreeCAD (miễn phí) thay thế cho các phần mềm thiết kế cơ khí thương mại có chi phí cao có ý thực tiễn cao trong quá trình hội nhập. Giúp giảm chi phí đào tạo. Hơn thế nữa, vì đây là phần mềm mã nguồn mở do đó nếu được đưa vào nghiên cứu có thể cải thiện, nâng cấp phần mềm có nhiều tính năng phù hợp và tiện lợi cho từng chuyên ngành. Thậm chí, nếu được đầu tư nghiên cứu hoàn thiện thì phần mềm này hoàn toàn có thể thương mại hóa theo đúng giấy phép mã nguồn mở của phần mềm. Đây cũng là xu hướng đã và đang được các trường đại học ở các nước tiên tiến thực hiện. Mặt khác, theo các thông tin nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu, hiện tại, chưa có một tài liệu tiếng Việt nào hướng dẫn sử dụng phần mềm FreeCAD. Mục tiêu đề tài: Sử dụng được phần mềm FreeCAD và ứng dụng phần mềm trong quá trình thiết kế một số chi tiết đầu máy, toa xe. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu: Dựa trên cơ sở các tài liệu được cung cấp trên trang chủ của phần mềm (tài liệu tiếng Anh), kết hợp với các kiến thức đã được học tập về vẽ kỹ thuật trong trường đại học, tiến hành nghiên cứu sử dụng phần mềm trong việc thiết kế các chi tiết dưới dạng 3D nói chung và các chi tiết đầu máy, toa xe nói riêng. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là phần mềm FreeCAD, bộ trục bánh xe đầu máy; Phạm vi nghiên cứu là sử dụng một số mô đun trong phần mềm FreeCAD để xây dựng mô hình 3D bộ trục bánh xe đầu máy trên cơ sở bộ trục bánh xe đầu máy D19E. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN GIỚI THIỆU PHẦN MỀM FREECAD Giới thiệu về phần mềm FreeCAD FreeCAD là phần mềm thiết kế 2D, 3D, CAD chuyên nghiệp, từ đơn giản như vẽ 2D đến phức tạp như mô phỏng chuyển động, kiểm nghiệm độ bền, lập trình CNC, cung cấp những công cụ hữu hiệu nhất, phục vụ cho công việc và học tập, đặc biệt, đây là phần mềm hoàn toàn miễn phí và có mã nguồn mở, được đóng góp bởi cộng đồng lập trình, kĩ sư Hiện nay, vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu và phát triển. Hình 1.1. Giới thiệu phần mềm FreeCAD FreeCAD hiện đã được trang bị đầy đủ các tính năng, công cụ cơ bản tương đồng với các phần mềm thiết kế thông dụng hiện nay như Catia, Solidworks,... FreeCAD cho phép bạn thiết kế các bản vẽ CAD, CAM, CAX, CAE và PLM, phục vụ trên đa số các lĩnh vực thiết kế như cơ khí, xây dựng, kiến trúc, FreeCAD được hỗ trợ các chức năng tiên tiến dựa trên cơ sở OpenCascade, một công cụ thiết kế hình học mạnh mẽ, tính năng thiết kế mô hình 3D được cung cấp bởi các thư viện 3D coin và python API, đây là tính năng rất hữu ích và mang lại hiệu quả cao trong quá trình thiết kế. Ngoài ra, FreeCAD cũng có khả năng thiết kế bản vẽ 2D, tuy nhiên đây không phải trọng tâm. Nhưng phần mềm này hoàn toàn thiết kế được những bản vẽ 2D cơ bản mà không gặp phải nhiều trở ngại. Phần mềm FreeCAD có thể hoạt động trên tất cả các hệ điều hành như Window, Mac OS, Linux,... Với sự hỗ trợ đắc lực của FreeCAD , quá trình thiết kế được đơn giản hóa một cách tối đa, mang lại hiệu quả thiết kế cao hơn, chính xác hơn, đặc biệt là hiệu quả kinh tế cao hơn khi so sánh với các phần mềm thương mại hiện nay. Một số hình ảnh khi thiết kế với FreeCAD: Hình 1.2. Thiết kế chi tiết trên phần mềm FreeCAD Hình 1.3. Thiết kế, tính toán chi tiết trên phần mềm FreeCAD Có thể tải xuống phần mềm FreeCAD trên các diễn đàn hoặc truy cập trực tiếp vào trang chủ của FreeCAD : FreeCADweb.org. Tùy vào hệ điều hành, ta có thể chọn đường dẫn để tải về, sau khi tải về và giải nén, phần mềm có dung lượng nhỏ gọn khoảng 500 MB (so với các phần mềm thương mại khác thường có dung lượng hàng chục GB). 1.2. Những khả năng chính của FreeCAD Như đã trình bày ở trên, FreeCAD là phần mềm miễn phí, mã nguồn mở, có khả năng xây dựng các bản vẽ 3D, CAD, MCAD, CAX, CAE, PLM, nhằm mục đích thiết kế cơ khí nói riêng và thiết kế sản phẩm nói chung, chẳng hạn như kiến trúc, xây dựng hoặc các chuyên ngành kỹ thuật khác. Cụ thể, FreeCAD có các tính năng sau. Với nhân đồ họa dựa trên công nghệ Open CASCADE, phần mềm này cho phép hoàn thiện các vật thể 3D phức tạp như đường cong, mặt phẳng hoặc các thực thể hình học dựa trên cơ sở hỗ trợ các định dạng file tương thích với các phần mềm 3D khác như STEP hay IGES . Một mô hình tham số hoàn thiện. Tất cả các vật thể trong FreeCAD thực chất được tạo bởi các tham số, mọi điểm thuộc vật thể đều có ràng buộc với nhau hoặc thậm chí là ràng buộc với vật thể khác. Điều này có nghĩa rằng thay đổi tại một điểm sẽ gây ra thay đổi tại các điểm khác và ta có thể tùy chọn giữ lại hoặc hủy thay đổi đó. Trong FreeCAD, một vật thể còn có thể được tạo bởi mã lập trình của ngôn ngữ mà FreeCAD sử dụng là Python. Một kiến trúc mô đun cho phép thêm chức năng vào các ứng dụng lõi. Các chức năng mở rộng này có thể sẽ được lập trình bằng ngôn ngữ C++ hoặc đơn giản là ngôn ngữ Python hoặc chương trình sao chép macros. Nhập hoặc xuất các file bản vẽ với các định dạng phổ biến như STEP, IGES, OBJ, STL, DXF, SVG, STL, DAE, IFC hoặc OFF, NASTRAN, VRML với điều kiện là các file phải tương thích với dạng file gốc của FreeCAD là Fcstd. Độ tương thích khi đọc một file trên FreeCAD còn phụ thuộc vào định dạng của file và mô đun thực hiện đọc. Mô đun vẽ phác thảo với các công cụ hỗ trợ cho phép phác thảo hình dạng của vật thể, hoặc vẽ phác hình dạng của vật thể rồi thực hiện xây dựng chi tiết từ hình dạng đã dựng. Tính năng mô phỏng chuyển động của Robot cho phép nghiên cứu chuyển động của Robot. Mô đun này hiện đã được trang bị giao diện đồ họa mở rộng GUI, cho phép người dùng theo dõi quá trình thiết kế một cách chi tiết và trực quan. Mô đun Render cho phép đổ bóng bề mặt của chi tiết. Tùy vào nhu cầu sử dụng mà mô đun này sẽ hữu ích. Mô đun Assembly cho phép làm việc với nhiều chi tiết cùng một lúc, mô phỏng chuyển động, . 1.3. Làm quen sơ bộ với Freecad 1.3.1. Giao diện của Freecad Hình 1.4. Giao diện ban đầu khi khởi động Freecad Giao diện ban đầu khi khởi động Freecad được thể hiện trên hình 1.4. Trong giao diện, có thể thấy 3 vùng độc lập để thực hiện các chức năng khác nhau. Cụ thể như sau : a. Thanh Công Cụ Hình 1.5. Thanh công cụ của FreeCAD Đây là miền để thực hiện mọi chức năng của phần mềm. Có thể thấy các hộp thoại như các workbench, chọn mặt phẳng thiết kế, xuất hiện như trên hình 1.5. Ở vùng này, có thể ẩn/hiện các công cụ bằng cách click chuột phải vào một vùng không gian trống rồi chọn công cụ cần ẩn/hiện. b. Vùng truy cập nhanh Đây là miền giúp truy cập nhanh các chức năng thường sử dụng nhất như Part Design, Architectural Design, , mở các file gần đây, nhận những thông báo về cập nhật mới của phần mềm hoặc truy cập vào trang chủ của FreeCAD. Hình 1.6. Vùng truy cập nhanh của FreeCAD c. Thanh Hiển thị tích hợp (Combo View) Đây là thanh cho biết chế độ hiện đang làm việc, thứ tự các lệnh đã thực hiện, kích thước của chi tiết, từ đó có thể biết trình tự thiết kế hoặc chỉnh sửa chi tiết một cách dễ dàng. Hình 1.7. Thanh Combo View Giao diện các chế độ làm việc (Workbenchs) Hình 1.8. Giao diện Part Design Cũng tương tự như giao diện của phần giao diện mở đầu, vùng 1 và vùng 3 có chức năng như đã nêu. Vùng 2 chính là không gian thiết kế, toàn bộ hình ảnh của chi tiết sẽ được thể hiện trong vùng này. Giao diện của các workbench khác cũng hoàn toàn tương tự. 1.1.2. Giới thiệu các chức năng cơ bản. a. Tạo, mở và lưu trữ 1 file. - Tạo file mới : Trong Freecad, có 2 cách để tạo 1 file mới, cụ thể như sau : 1. Nhấp vào biểu tượng ( tổ hợp Ctrl + N ) trên vùng 1, sau đó chọn workbench thiết kế . 2. Chọn trực tiếp vào đường dẫn các workbench muốn sử dụng trên giao diện mở đầu, tuy nhiên chỉ có thể chọn một số các workbench thông dụng nhất mà không chọn được tất cả các workbench. Hình 1.9. Menu truy cập nhanh Mở 1 file dữ liệu : Có 2 cách để mở 1 file : Click chuột vào biểu tượng trên vùng 1 rồi chọn file muốn mở Mở các file gần đây bằng cách click vào Recent Files trên vùng 2 của giao diện mở đầu. Lưu trữ file : Cũng có 2 cách để lưu 1 file, cụ thể như sau : Chọn File trên vùng 1 , sau đó chọn Save hoặc Save as, tùy theo nhu cầu. Click chuột trực tiếp vào biểu tượng trên vùng 1. b. Cách sử dụng vùng Combo View (vùng 3) Đây là vùng cho biết trình tự đang thiết kế, từ đó có thể theo dõi trình tự cũng như sửa lỗi hoặc khắc phục sau khi đã hoàn thành việc thiết kế. Trình tự thiết kế là tổ hợp dòng lệnh đi từ trên xuống dưới, tại mỗi dòng lại có thêm các nhánh chỉ các nhóm lệnh đã thực hiện trong lệnh chính. Sửa, xóa lệnh hoặc thay đổi thiết kế, kích thước, của chi tiết bằng cách click chuột phải vào dòng lệnh đó. Sau khi click chuột sẽ có hộp thoại hiện ra , tùy vào yêu cầu mà click vào mục cần chọn. Cũng có thể click vào hộp thoại phía dưới để chỉnh sửa kích thước, tọa độ, góc độ,bằng cách nhập vào số liệu cần thiết kế. Hình 1.10. Hộp thoại chỉ thông tin chi tiết. c. Một số thao tác với chuột và bàn phím. Để tương tác trực tiếp với giao diện cũng như chi tiết đang thiết kế bằng chuột và bàn phím một cách rất trực quan. Để chọn đối tượng, click chuột trái vào vị trí cần chọn, để chọn nhiều đối tượng, giữ Ctrl và click chuột vào lần lượt các đối tượng. Để phóng to, thu nhỏ đối tượng, sử dụng con lăn chuột để thực hiện. Để xoay vật thể, giữ đồng thời con lăn và chuột phải rồi xoay theo ý muốn. Đối với bàn phím, có thể sử dụng hàng phím số từ 1 đến 6 để chọn mặt phẳng, các phím mũi tên để di chuyển vật thể, và các tổ hợp phím để truy cập nhanh các tính năng của phần mềm như (Ctrl+N), (Ctrl+S), CHƯƠNG 2 SỬ DỤNG PHẦN MỀM FREECAD 2.1. Vẽ phác thảo (Sketcher Workbench) 2.1.1. Giới thiệu vẽ phác thảo Tạo Sketcher là bước cơ bản đầu tiên để tạo mô hình. Mô hình tạo thành trong Freecad được liên kết với biên dạng của chúng. Khi hiệu chỉnh biên dạng, mô hình tự động cập nhật những thay đổi này. Ta làm việc trong môi trường vẽ phác cần tạo ra hoặc hiệu chỉnh các biên dạng của mô hình. Môi trường vẽ phác bao gồm các mặt phẳng vẽ phác và các công cụ vẽ phác(Sketch Tools). Mặt phẳng vẽ phác chứa các biên dạng của vật thể. Nó có thể là các Plane hoặc là các mặt phẳng của các vật thể có sẵn. Môi trường vẽ phác thảo : Để bắt đầu thiết kế Sketch, ta chọn workbench thiết kế là Sketcher, sau đó click vào biểu tượng (Creat a new sketch) rồi chọn mặt phẳng và bắt đầu quá trình thiết kế. Hình 2.1.Giao diện khi thiết kế Sketch Có thể thấy trong góc phải phía dưới màn hình là sơ đồ biểu thị mặt phẳng đang làm việc. 2.1.2. Các lệnh thao tác trong Sketch Khi thiết kế Sketch, ta có các nhóm lệnh thiết kế 2D tương ứng như Sketcher Geometries, Sketcher Constrains, Sketcher tools, a. Sketcher Geometries Là nhóm lệnh để thực hiện vẽ các hình cơ bản, gồm các lệnh cụ thể sau : Tạo một điểm. Tạo 1 đường thẳng với 2 điểm. Tạo 1 cung tròn từ 1 điểm làm tâm, bán kính , điểm bắt đầu và điểm kết thúc. Tạo 1 đường conic, trong lệnh này, ta có 3 tùy chọn bằng cách click vào mũi tên để tạo đường conic theo các dữ liệu sẵn có. Tạo các đường từ 1 chuỗi các điểm cho trước. Tạo hình vuông/chữ nhật từ 2 điểm của đường chéo. Tạo cung tròn tại giao điểm của 2 đường thẳng , ta click vào 2 đường thẳng sau đó di chuột để chọn góc độ. Tạo mép vát giữa 2 đường thẳng giao nhau. Tạo một cạnh nối với biên dạng ngoài của hình. Hình 2.2. Thiết kế một số biên dạng đơn giản b. Sketcher Constrain Sketcher Constrain được sử dụng để xác định độ dài, đặt các quy tắc giữa các yếu tố phác hoạ, và để khóa bản vẽ dọc theo trục dọc và ngang. Một số lệnh đòi hỏi sự ràng buộc của phần Trợ giúp Sketcher. Có 2 loại lệnh Constrain. Không liên kết với dữ liệu số : Coincident : Gắn 1 điểm vào đồng thời 1 hoặc nhiều điểm khác Point On Object : Gắn một điểm vào một đối tượng khác như một đường thẳng, cung hay trục. Vertical : Đưa các đường/chuỗi đường bất kì ( trừ các đường nằm ngang theo phương Ox) về hướng cùng phương với Oy. Horizontal : Đưa các đường/chuỗi đường bất kì ( trừ các đường thẳng đứng theo phương Oy ) về hướng cùng phương với Ox. Parallel : Chuyển các đường thẳng bất kì về dạng song song với nhau. Perpendicular : Đưa 2 đường thẳng bất kì về dạng vuông góc với nhau. Tangent : Tạo tiếp tuyến chung giữa 2 thực thể Equal Length : Đưa 2 đường thẳng về cùng một độ dài hoặc cùng đường kính đối với đường tròn, đường chéo với hình chữ nhật, Symmetric : Tạo 2 điểm đối xứng qua 1 đường thẳng hoặc 2 điểm đối xứng qua điểm thứ 3. Có liên kết với dữ liệu số. Lock : Cố định vật thể, gắn vào số liệu của tọa độ ban đầu. Số liệu này có thể hiệu chỉnh lại sau. Horizontal Distance : Chọn trực tiếp chiều rộng của vật thể bằng cách nhập số liệu, có thể chọn 1 đường hoặc 2 điểm đầu , cuối. Vertical Distance : Chọn trực tiếp chiều cao của vật thể bằng cách nhập số liệu, cách chọn tương tự như chọn chiều rộng. Length : Chọn trực tiếp chiều dài của vật thể bằng cách nhập số liệu, cách chọn tương tự như chọn chiều rộng. Radius : Chọn số liệu bán kính của đường tròn/ cung tròn. Internal Angle : Chọn góc giữa 2 đường thẳng c. Sketcher Tools Đây là nhóm lệnh giúp chỉnh sửa vật thể. Gồm có các lệnh như sau : Closed Shape : Lệnh có tác dụng nối 2 điểm của 2 vật thể khác nhau làm một. Connect Edge : Nối các điểm cuối với nhau bằng cách áp dụng các ràng buộc trùng khớp với các điểm cuối Select Constrain : Chọn các ràng buộc của một yếu tố nào đó. Show/Hide internal geometry: Ẩn/Hiện các đường bao ngoài của vật thể. Copy : Copy một vật thể. Trên đây là 3 nhóm lệnh chính của vẽ Sketch, các lệnh này đều sử dụng bằng cách nhấp vào lệnh, sau đó thao tác chuột trên không gian thiết kế. Qua workbench này, ta có thể thiết kế biên dạng của vật thể, thiết kế 2D với các công cụ trợ giúp như đã nêu một cách dễ dàng. 2.2. Vẽ thiết kế 2D (Draft Workbench) Draft là mô đun cho phép vẽ phác thảo các hình 2D một cách nhanh chóng. Bên cạnh đó, phần mềm còn cung cấp rất nhiều công cụ để chỉnh sửa vật thể theo nhu cầu. Một vài công cụ chỉnh sửa của mô đun này còn có thể hoạt động trên các mô đun khác mà vẫn đảm bảo phần mềm hoạt động ổn định. Về các nhóm lệnh, mô đun này có 3 nhóm lệnh chính là: Nhóm lệnh vẽ vật thể, nhóm lệnh hiệu chỉnh vật thể và nhóm các công cụ tiện ích. Sau đây sẽ giới thiệu chi tiết về các nhóm lệnh này. 2.2.1. Nhóm lệnh vẽ (Drawing objects) Đây là nhóm lệnh để tạo ra vật thể. Line : Lệnh tạo đường thẳng khi có 2 điểm đầu và cuối. Wire: Lệnh tạo một chuỗi đường thẳng nối tiếp nhau. Circle: Lệnh tạo một đường tròn với tâm và bán kính cho trước. Arc : Lệnh tạo một cung tròn với tâm, bán kính, góc chắn cung cho trước. Ellipse : Lệnh tạo đường elip đi qua 2 điểm cho trước. Polygon : Lệnh tạo một ngũ giác với tâm và một đỉnh bất kì cho trước. Ngoài ra, còn có các lệnh tương tự để tạo đa giác nhiều cạnh hơn. Text : Lệnh chèn chú thích cho hình vẽ. Dimension : Lệnh để ghi kích thước cho bản vẽ. Bspline : Lệnh tạo đường cong bất kì từ số điểm theo ý muốn. Point : Lệnh tạo một điểm bất kì. Facebinder : Lệnh tạo một vật thể mới trên một mặt của vật thể đã tồn tại. 2.2.2. Nhóm lệnh hiệu chỉnh (Modifying objects) Đây là nhóm lệnh để hiệu chỉnh vật thể sau khi vẽ xong. Để làm việc với nhóm này, ta cần chọn đối tượng trước, nếu không có đối tượng nào được chọn, phần mềm sẽ yêu cầu phải chọn đối tượng trước. Move : Lệnh dời đối tượng. Rotate : Lệnh xoay đối tượng. Offset : Lệnh phóng to, thu nhỏ đối tượng với tỉ lệ tùy chọn. Trim : Lệnh cắt bớt hoặc mở rộng một đối tượng. Upgrade : Lệnh liên kết các đối tượng về một khối. Ngược lại, lệnh Downgrade để phá một khối thành nhiều đối tượng Scale : Lệnh tạo tỉ lệ cho đối tượng so với vật thể gốc. Addpoint : Lệnh thêm một điểm vào một đối tượng. Ngược lại, lệnh Deletepoint giúp xóa bớt điểm trên một vật thể. Shape 2D view : Xuất hình chiếu 2D từ một vật thể 3D. Mirror : Lệnh đối xứng một đối tượng đã chọn qua một điểm hoặc đường thẳng. Array : Lệnh sao chép một đối tượng thành nhiều đối tượng và sắp xếp theo thứ tự tùy ý. 2.2.3. Nhóm công cụ (Utility tools) Đây là nhóm công cụ được tích hợp sẵn trong vật thể khi ta click chuột phải vào vật thể, chính vì vậy, mỗi vật thể khác nhau sẽ có những công cụ khác nhau. Set working plane : Chọn mặt phẳng cần làm việc khi đang ở chế độ xem 3D hoặc một mặt phẳng nào đó. Finish line : Kết thúc vẽ Line, Bspline, sau khi đã vẽ xong mà không thoát lệnh. Close line : Kết thúc vẽ Line. Bspline,sau khi vẽ xong và thoát luôn lệnh. Undo line : Hoàn tác một đường thẳng vừa vẽ của một vật thể. Toggle line : Bật hoặc tắt chế độ Draft. Show/hide snap bar : Ẩn hoặc hiện thanh công cụ Snap. Slope : Chỉnh độ dốc của đường hoặc chuỗi đoạn thẳng. 2.2.4. Các định dạng file Phần mềm này cho phép xuất và đọc bản vẽ ở rất nhiều định dạng file : Autodesk .DXF, Open Cad format .OCA, Airfoil Data Format .DAT, Với mỗi dạng bản vẽ, ta có các định dạng file khác nhau. Hình 2.3. Giao diện khi làm việc với Draft 2.3. Thiết kế chi tiết (Part Design Workbench) Hình 2.4. Hình ảnh khi làm việc với Part Design Mục đích của Part Design Workbench là cho phép người sử dụng tạo ra các hình khối trong không gian 3D. Về cơ bản, trình tự thiết kế là dựng hình vẽ phác thảo 2D, sau đó xuất sang hình khối 3D. Để tiến hành, ta thường sử dụng 2 công cụ sau :  (Pad) và (Revolution).  Cùng với các công cụ hỗ trợ ( Pocket và rãnh ) ta có thể thực hiện gần như mọi thao tác đối với một bản vẽ . Các bước để thực hiện một bản vẽ Part Design Chuyển sang Part Design Workbench Chọn hình phác thảo đã thực hiện. Chọn Pad Chọn độ dày theo nhu cầu Chọn Ok Ngoài ra, một cách khác để tạo hình học 3D là sử dụng (Revolution) với các bước như sau : Hình 2.5. Minh họa khi tạo bản phác thảo Tạo bản vẽ phác thảo. Chọn Revolution . Chọn trục cần xoay vật thể. Chọn góc để quét vật thể, thường với vẽ 3D, ta chọn góc quét bằng 360°. Các tính năng chính Với mô đun Part Design, các chức năng như tạo khối, đục lỗ, tạo rãnh, có thể nói là quan trọng nhất. Các tính năng này được truy cập trực tiếp trên thanh công cụ Trên hình là các lệnh pad, pocket, revolve, groove, fillet, chamfer,. Hình 2.6. Minh họa khi tạo một vật thể 3D Các hình khối thiết lập được khi làm việc với các nhóm lệnh chính. Chức năng Pattern Chức năng này cho phép ta tạo một vật thể mới trên một mặt phẳng của một đối tượng đã tồn tại. Các bước thực hiện như sau. Chọn một mặt phẳng của vật thể Tạo một bản phác trên mặt phẳng đó Sau khi tạo bản phác thảo, có thể thao tác với các nhóm lệnh cơ bản như pad, pocket, tùy theo yêu cầu đối với chi tiết. Hình 2.7. Minh họa chi tiết sau khi sử dụng các lệnh chỉnh sửa Sau khi thao tác với các nhóm lệnh như đã nêu, ta được vật thể hoàn thiện với thiết kế theo yêu cầu. 2.4. Tạo chi tiết (Part Workbench) 2.4.1. Giới thiệu Part Workbench Phần này sẽ tìm hiểu về cách ghép nối các chi tiết với nhau để hoàn thiện bản vẽ bằng Part Workbench. Để truy cập vào Part, chọn thanh công cụ của các Workbench và chọn Part, sau đó chọn Create a new file và bắt đầu thiết kế. Hình 2.8. Giao diện khi làm việc với Part 2.4.2. Làm việc với Part Workbench Sau đây là các công cụ để tạo các đối tượng cơ bản Lệnh tạo đối tượng  Box: Tạo khối hộp bằng cách chọn trực tiếp kích thước của nó.  Cone: Tạo một hình nón bằng cách xác định kích thước của nó  Cylinder: Tạo một hình trụ bằng cách chọn trực tiếp kích thước của nó.  Sphere: Tạo một khối cầu bằng cách chọn trực tiếp kích thước của nó.  Torus: Tạo một vòng bằng cách chọn trực tiếp kích thước của nó.  CreatePrimitives: Tạo các dạng hình học phức tạp khác nhau.  Shapebuilder: Tạo các hình học phức tạp từ các hình đơn giản hơn. b.Lệnh sửa đối tượng. Đây là những công cụ để sửa đổi các đối tượng hiện có. Ta có thể chọn đối tượng bất kì để chỉnh sửa.  Booleans: Thực hiện thuật toán trên các đối tượng.  Union: Liên kết 2 đối tượng.  Common: Chiết xuất phần giao tuyến của hai vật.  Cut: Tách một đối tượng từ một đối tượng khác.  Extrude: Tạo lỗ rỗng hoặc vật đặc chồi lên khỏi vật thể  Fillet: Tạo cung tròn của mép vật thể.  Revolve: Tạo một vật rắn bằng cách xoay một vật khác (không rắn) quanh một trục  Section: Tách một phần mặt phẳng bằng cách giao nhau mặt phẳng đó với một phần chọn trước.  Chamfer: Cắt cạnh của một đối tượng  Mirror: Đối xứng một vật thể qua một mặt phẳng c. Một số công cụ khác.  Import CAD: Lệnh này giúp ta chuyển bản vẽ sang các file có đuôi như *.IGES, *.STEP, *.BREP cho phù hợp nhu cầu sử dụng.  Export CAD: Lệnh này cho phép lưu file dưới dạng đuôi *.IGES, *.STEP, *.BREP... để phù hợp cho từng yêu cầu.  Shape from Mesh: Tạo ra một đối tượng hình dạng từ một đối tượng lưới.  Refine shape: Loại bỏ các đường nét không cần thiết khỏi 1 bề mặt.  Check geometry: Kiểm tra hình học của các đối tượng đã chọn để tìm lỗi. Dưới đây là một vài hình ảnh khi thiết kế ở Workbench Part Design Hình 2.9. Minh họa một số chi tiết khi thiết kế với Part 2.5. Tạo bản vẽ 2D từ bản vẽ 3D (Drawing Workbench) Để tạo một bản vẽ 2D từ bản vẽ 3D, trước tiên cần có vật thể 3D, sau đó xuất các hình chiếu của vật thể đó sang bản vẽ kĩ thuật tiêu chuẩn. Để thực hiện, mở file 3D và đưa mô đun làm việc về Drawing. Hình 2.10. Thiết kế Bánh răng Giao diện của mô đun lúc đó sẽ như trên hình (cụ thể ở đây đang làm việc với chi tiết là bánh răng). Sau đó, cần thiết lập tiêu chuẩn cho bản vẽ bằng cách click vào , ta sẽ thiết lập được các tiêu chuẩn của bản vẽ, cũng như cài đặt khung tên, thông tin về bản vẽ. Sau khi thiết lập, ta được bản vẽ như sau: Hình 2.11. Bản vẽ tiêu chuẩn sau khi được thiết lập Sau khi đã thiết lập bản vẽ tiêu chuẩn, cần chọn chi tiết cần xuất ra các hình chiếu rồi nhấp chuột vào trên thanh công cụ. Sau khi đã chọn, được vùng sơ đồ các vị trí của hình chiếu cần hiển thị. Tùy vào các hình chiếu cần xuất, ta chọn vị trí trên sơ đồ sau. Hình 2.12. Các tùy chọn khi xuất các hình chiếu 2D Với chi tiết cụ thể ở đây là bánh răng, bản vẽ chi tiết như sau Hình 2.13. Bản vẽ khi chưa có kích thước Để ghi kích thước cho bản vẽ, thực hiện theo các bước sau: Chuyển mô đun làm việc về Drawing dimension Sau khi đã chuyển, thanh công cụ sẽ xuất hiện các lệnh cho phép ghi các loại kích thước : Trên hình là biểu tượng của các lệnh ghi độ dài, đường kính, bán kính, góc, đường tâm, và các kích thước cơ bản khác. Sau khi ghi kích thước, bản vẽ xuất hiện như sau : Hình 2.14. Hình vẽ khi đã ghi kích thước Như vậy, trên đây đã giới thiệu đầy đủ quy trình xuất từ vật thể 3D sang các hình vẽ 2D, cụ thể là xuất trên bản vẽ kĩ thuật tiêu chuẩn. 2.6. Tính toán kiểm nghiệm độ bền chi tiết bằng phương pháp phần tử hữu hạn (Fem Workbench) Đây là mô đun cho phép thử độ bền của một chi tiết sau khi đã được thiết kế. Mô đun này hoạt động dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Để làm việc với mô đun này, trước tiên cần có chi tiết cần thử độ bền. Ở đây chọn chi tiết là dầm đơn giản có liên kết ngàm một đầu để minh họa. Hình 2.15. Dầm đơn giản ban đầu - Sau khi có chi tiết, chuyển mô đun làm việc về kiểm nghiệm độ bền (FEM). - Khi đã về mô đun FEM, ta cần chọn mô hình tính toán bằng cách nhấp vào biểu tượng trên thanh công cụ, đây chính là chương trình phân tích cơ khí. - Tiếp theo, cần định nghĩa vật liệu cho chi tiết bằng cách nhấp vào ô trên thanhh công cụ. Vật liệu có sẵn trong thư viện, gồm rất nhiều các loại vật liệu cơ khí, ở đây chọn vật liệu là Steel-Generic. Dưới đây là hình ảnh khi ta chọn vật liệu, có các thông số của vật liệu như mô đun đàn hồi, hệ số poát xông, khối lượng riêng. Với từng vật liệu riêng biệt, các thông số này là khác nhau, tuy nhiên các thông số này có thể tùy chỉnh theo yêu cầu. Hình 2.16. Chọn vật liệu cho dầm - Tiếp theo, cần định nghĩa ràng buộc đối với chi tiết bằng cách nhấp vào ô trên thanh công cụ. Lưu ý, cần chọn mặt phẳng để đặt liên kết theo các bước sau 1. Chọn mặt phẳng bằng cách nhấp chuột trực tiếp vào vật thể. Có thể chọn một hoặc nhiều mặt phẳng. 2. Sau khi đã chọn mặt phẳng, nhấp vào Add Reference rồi nhấp Ok. Sau đó , chi tiết xuất hiện như trên hình. Hình 2.17. Đặt ràng buộc c