Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-aided design - CAD)

Giới thiệu

Thuật ngữ: Computer-aided design (CAD)
CAD là phần mềm thường được sử dụng để hỗ trợ thiết kế và vẽ kỹ thuật các chi tiết hoặc cụm chi tiết trong lĩnh vực kỹ thuật. Trong FTC®, CAD được dùng để tạo mô hình 3D của robot cũng như thiết kế các bộ phận tùy chỉnh.

CAD không phải là yếu tố bắt buộc để xây dựng một robot thành công trong FTC. Nhiều đội đã đạt thành tích cao mà hoàn toàn không sử dụng CAD. Một số đội khác chỉ thiết kế một phần robot bằng CAD, trong khi những đội khác lại mô hình hóa toàn bộ robot bằng CAD.

Vậy, CAD có ý nghĩa gì? Các đội mới được khuyến khích thử sử dụng CAD, đặc biệt nếu đội có huấn luyện viên hoặc phụ huynh am hiểu về lĩnh vực này. CAD mang lại nhiều lợi ích rõ ràng:

1. CAD giúp tránh nhiều rắc rối có thể phòng ngừa được, chẳng hạn như vấn đề về khoảng cách hoặc lắp ghép. Nhờ đó, bạn sẽ tiết kiệm thời gian khi phát hiện và khắc phục lỗi ngay trong giai đoạn thiết kế, trước khi bắt đầu chế tạo robot.

2. CAD là công cụ chuyên nghiệp được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực STEM. Kiến thức và kỹ năng CAD sẽ rất hữu ích cho tương lai nghề nghiệp nếu bạn theo đuổi các ngành này.

3. Nếu bạn muốn tạo ra các bộ phận được in 3D hoặc gia công cơ khí, CAD là công cụ bắt buộc để thực hiện điều đó.

4. CAD giúp giảm chi phí xây dựng robot bằng cách xác định trước các linh kiện cần thiết, tránh việc mua sắm dư thừa.

Tuy nhiên, CAD không phải là “thần đèn” có thể đảm bảo chiến thắng trong FTC. Khi được sử dụng đúng cách, đây là một công cụ tuyệt vời hỗ trợ đội trong quá trình thiết kế robot — nhưng cũng cần nhớ rằng nhiều đội đã đạt thành công mà không cần đến CAD.

Khi bắt đầu, hãy chọn một phần mềm CAD và học cách sử dụng nó thành thạo nhất có thể. Một ý tưởng hay là dành vài tuần để thực hành bằng cách tìm những vật thể có sẵn xung quanh, dùng thước hoặc thước kẹp để đo và dựng mô hình CAD của chúng.

Một cách hay để kiểm tra độ chính xác là chọn một vật thể rắn làm từ một vật liệu đã biết. Cân vật thể đó, sau đó tạo mô hình CAD và áp dụng vật liệu tương ứng trong phần mềm để so sánh khối lượng giữa mô hình và vật thật. Đây là phương pháp tốt để đánh giá độ chính xác của bản vẽ CAD. Không quan trọng vật thể là gì — chỉ cần chọn một món đồ và mô phỏng lại nó một cách tốt nhất có thể.

Ngoài ra, có rất nhiều video hướng dẫn trên YouTube; một kênh hữu ích là TFI, chuyên làm các video hướng dẫn chi tiết cho phần mềm Autodesk Inventor.

Tổng quan về các phần mềm CAD

Có rất nhiều phần mềm CAD (Computer-Aided Design) mà các đội có thể học và sử dụng, tất cả đều có thể được tải xuống miễn phí dưới dạng giấy phép cho sinh viên hoặc đội FTC. Tuy nhiên, bạn cần tìm hiểu một chút, vì điều kiện cấp bản miễn phí có thể khác nhau tùy theo từng phần mềm. Dưới đây là một số lựa chọn đáng cân nhắc:

Onshape
Là một gói phần mềm CAD đầy đủ tính năng, nhưng chạy hoàn toàn trên nền tảng đám mây. Nó có thể chạy trên mọi loại máy tính (kể cả Chromebook!) và có ứng dụng cho iOS, iPadOS và Android.

Onshape có đầy đủ các tính năng cốt lõi như SolidWorks và Inventor, đồng thời có khả năng cộng tác tốt nhất trong ngành – nhiều người gọi nó là “Google Docs của CAD”. Nhiều người có thể làm việc cùng lúc trên cùng một tài liệu, và có thể “theo dõi” nhau để xem người khác đang thao tác gì.

Onshape còn có FeatureScript – một ngôn ngữ lập trình cho phép bạn tự viết các tính năng tùy chỉnh. Cộng đồng người dùng đã tạo ra rất nhiều FeatureScript hữu ích và hoàn toàn miễn phí.

Ngoài ra, Onshape còn có hệ thống hướng dẫn chi tiết (https://learn.onshape.com), giúp bạn không chỉ học cách sử dụng phần mềm mà còn học cách tiếp cận các bài toán thiết kế.

Nếu bạn mới bắt đầu học CAD hoặc không có máy tính mạnh, Onshape là lựa chọn tốt nhất.

SolidWorks
Là phần mềm CAD tiêu chuẩn trong ngành, được phát triển bởi Dassault Systèmes. Nó có đầy đủ tính năng, bao gồm cả mô phỏng và môi trường lắp ráp mạnh mẽ. SolidWorks được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và các lớp kỹ thuật ở đại học.

Tuy nhiên, SolidWorks không hỗ trợ người dùng Mac và yêu cầu máy tính cấu hình cao (tối thiểu 16GB RAM). SolidWorks còn có chương trình mô phỏng riêng nếu bạn muốn kiểm tra độ bền của robot hoặc linh kiện thiết kế.

Nếu đội của bạn có cố vấn hoặc thành viên đã quen với SolidWorks, hoặc trường bạn dạy phần mềm này, đây sẽ là lựa chọn tốt nhất.

Inventor
Là phần mềm CAD chuyên nghiệp của Autodesk. Nó có nhiều tính năng tương tự SolidWorks nhưng giao diện khác và có ba chế độ lắp ráp riêng biệt.

Mặc dù được nhiều công ty sử dụng, Inventor lại ít xuất hiện trong các chương trình đại học. Thông thường, Inventor là lựa chọn thứ hai của các công ty không dùng SolidWorks nhưng quen thuộc với hệ sinh thái Autodesk.

Inventor cũng không có phiên bản cho Mac, nhưng có thể hoạt động ổn hơn trên các máy cấu hình yếu.

Nếu đội bạn có người từng dùng Inventor hoặc trường dạy phần mềm này, đây cũng là lựa chọn phù hợp.

Fusion 360
Là phần mềm CAD/CAM dựa trên đám mây, cũng do Autodesk phát triển. Fusion 360 chạy được trên nhiều nền tảng, nhưng không hoạt động tốt trên máy yếu.

Nó có môi trường CAM mạnh mẽ để gia công chi tiết và tính năng render trực tuyến tiện lợi, sử dụng máy chủ của Autodesk để xử lý. Để giữ giao diện đơn giản, Fusion loại bỏ nhiều tính năng nâng cao của SolidWorks và Inventor – điều này không ảnh hưởng nhiều đến người mới học.

Tuy nhiên, Fusion khác hoàn toàn với các tiêu chuẩn ngành, dùng hệ thống cấu trúc riêng, khiến việc chuyển sang phần mềm khác khá khó khăn. Ngoài ra, nếu không cẩn thận, hệ thống quản lý tệp của Fusion có thể dẫn đến thói quen thiết kế kém – ví dụ như tạo chi tiết mới mà không tách biệt thiết kế rõ ràng.

Nếu bạn tuân thủ các nguyên tắc thiết kế tốt, Fusion vẫn là một lựa chọn ổn định.

Creo (trước đây gọi là Pro/E)
Là bộ phần mềm CAD/CAM do PTC (Parametric Technology Corporation) phát triển. Creo Parametric là gói chính, với khả năng mô hình hóa chi tiết và lắp ráp tương tự SolidWorks.

Ưu điểm lớn nhất của Creo là khả năng thiết lập mối quan hệ và ràng buộc giữa các chi tiết rất phức tạp, nhưng đây cũng là điểm khó cho người mới. Gói Creo bao gồm công cụ render và mô phỏng tích hợp sẵn, giúp tạo hình ảnh chân thực và cải thiện thiết kế dựa trên mô phỏng vật liệu hoặc hình dạng.

Tuy nhiên, quy tắc “80-20” vẫn đúng: chỉ 20% tính năng được dùng để tạo ra 80% thiết kế. Creo cũng có hệ thống quản lý tệp gọi là Windchill, nhưng với FTC, Grabcad là đủ.

Học Creo khó hơn các phần mềm khác do ít tài liệu hướng dẫn trực tuyến và hệ thống ràng buộc phức tạp. Cách tốt nhất là học từ người đã có kinh nghiệm.

Creo được sử dụng trong nhiều lớp kỹ thuật ở đại học và các ngành như ô tô, hàng không, và công nghiệp tiêu dùng. Creo chỉ chạy trên Windows, nhưng có thể cài trình giả lập để chạy trên Mac.

Lấy linh kiện

Tất cả các nhà cung cấp (REV, goBILDA, Actobotics, AndyMark, Tetrix) đều cung cấp mô hình 3D của các linh kiện mà họ bán dưới dạng STEP file, có thể được nhập vào bất kỳ phần mềm CAD nào đã nêu ở trên. Một số nhà cung cấp còn có thư viện hoặc tệp nén chứa toàn bộ các mô hình STEP của sản phẩm họ bán.

Thư viện CAD của nhà cung cấp

• Actobotics (ServoCity)

• Thư viện CAD của đội 10650 Hazmat Robotics + linh kiện MiSUMI

• Thư viện linh kiện FTC Onshape (chứa phần lớn linh kiện của các nhà cung cấp lớn nhất)

Chia sẻ tệp

Các đội thường có nhiều thành viên cùng làm việc trên mô hình CAD, vì vậy cần có hệ thống chia sẻ tệp để đảm bảo mọi người đều làm việc với phiên bản mới nhất. Một số lựa chọn được khuyến nghị gồm GrabCAD, Box, Google Drive hoặc Dropbox.

Ngoài ra, nên sắp xếp để chỉ một thành viên chỉnh sửa mô hình tại một thời điểm, nhằm tránh nhầm lẫn hoặc xung đột dữ liệu.

Tài nguyên hữu ích

Có thể tìm thêm tài liệu về CAD trong mục CAD của trang Useful Resources.