Tài liệu Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị số hóa dữ liệu bề mặt vật thể kiểu tay robot

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN NAM THẮNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ SỐ HÓA DỮ LIỆU BỀ MẶT VẬT THỂ KIỂU TAY ROBOT LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ THÁI NGUYÊN – NĂM 2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN NAM THẮNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ SỐ HÓA DỮ LIỆU BỀ MẶT VẬT THỂ KIỂU TAY ROBOT Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 60520103 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS PHẠM THÀNH LONG THÁI NGUYÊN – NĂM 2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 3 LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Trần Nam Thắng Học viên: Lớp Cao học K16 Đơn vị công tác: Công ty CP Cơ khí ô tô Nghệ An – Tổng Công ty Công nghiệp ô tô Việt Nam Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị số hóa dữ liệu bề mặt vật thể kiểu tay Robot Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 60520103 Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các ý tưởng, thiết kế, chế tạo cũng như các số liệu là hoàn toàn trung thực, chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày ..... tháng ..... năm 2016 Học viên: Trần Nam Thắng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 4 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện đề tài, tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ phía nhà trường, các thấy cô giáo trong Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo, các thầy cô giáo tham gia giảng dạy đã tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành chương trình học và hoàn thiện luận văn này. Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo PGS.TS. Phạm Thành Long đã định hướng, theo dõi và truyền đạt kiến thức để tác giả có thể hoàn thành được luận văn này. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo, Ban giám đốc Công ty CPCK ô tô Nghệ An đã tạo mọi điều kiện cho tác giả được đi học nâng cao trình độ; Xin cảm ơn đến bạn Tô Tấn Trung Dũng – Công ty TNHH Châu Đà – Đà Nẵng, xin cảm ơn bạn cùng lớp Lê Tiến Thanh – Trường CĐ nghề Việt-Hàn – Nghệ An đã giúp đỡ tác giả tháo gỡ những khó khoăn trong khi làm luận văn. Mặc dù đã rất cố gắng song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên đề tài chắc chắn còn nhiều thiếu sót và cần bổ sung. Do vậy, kính mong quý thầy cô, đồng nghiệp, bạn bè cùng đóng góp để tác giả hoàn thiện kiến thức và ứng dụng các kiến thức học được vào trong thực tế. Tác giả xin chân thành cảm ơn! Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 5 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT TT Kí hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ 1 PCMM Portable Coordinate Measuring Machine 2 CMM Coordinate Measuring Machine 3 PLC Programable Logic Control 4 NC Numerical Control 5 CNC Computer Numerical Control 6 RE Reverse Engineering 7 CAD Computer Aided Design 8 CAM Computer Aided Manufacturing 9 CIM Computer Integrated Manufacturing 10 FE Forward Enginerring 11 DH Denavit Heternbeg 12 2D 2 Direction 13 3D 3 Direction 14 VBA Visual Basic Application 15 GUI Graphical User Interface Đơn vị DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU STT Kí hiệu Nội dung Trang 1 Hình 1.1 Máy quét laser 3D 17 2 Hình 1.2 Ví dụ các cấu hình máy đo CMM 18 3 Hình 1.3 Đầu dò điểm tiếp xúc 19 4 Hình 1.4 Đầu quét laser 19 5 Hình 1.5 Đường cong nội suy từ đa thức Lagrange 20 6 Hình 1.6 Đường cong Hermite 21 7 Hình 1.7 Đường cong Spline bậc 3 21 8 Hình 1.8 Đường cong Bezier ban đầu và khi thay đổi vị trí điểm 22 điều khiển Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 6 Đường cong Bezier nhiều phân đoạn 9 Hình 1.9 22 10 Hình 1.10 Biểu diễn mặt cong Bézier 22 11 Hình 1.11 Đường cong B-spline 23 12 Hình 1.12 Mặt cong B-spline 23 13 Hình 1.13 Phương pháp làm mịn 23 14 Hình 1.14 Minh họa phương pháp xây dựng mặt cong bằng cách 24 tổng hợp các đường sinh dọc và ngang 15 Hình 1.15 Minh họa phương pháp xây dựng mặt cong từ mạng 24 lưới 3 điểm gần nhau nhất 16 Hình 2.1 Thiết bị CMM 2D 29 17 Hình 2.2 Tay máy và khối V từ 30 18 Hình 2.3 Encoder 5000 xung/vòng 30 19 Hình 2.4 PLC Omron CP1L 30 20 Hình 2.5 Giao diện chương trình CMM 2D 30 21 Hình 2.6 Lắp ráp tổng thành máy CMM 3D 31 22 Hình 2.7 Bộ trượt trục Z 32 23 Hình 2.8 Drive Step 32 24 Hình 2.9 Chi tiết cần số hóa 32 25 Hình 2.10 Hộp điều khiển trục Z 33 26 Hình 2.11 Gá đặt chi tiết cần đo lên thiết bị 33 27 Hình 2.12 Add-in “Chen Toa Do Z” 34 28 Hình 2.13 Chương trình số hóa biên dạng vật thể 34 29 Hình 2.14 Cách chế tạo đầu đo 36 30 Hình 2.15 Keo 2 thành phần Epoxy 36 31 Hình 4.1 Chiến lược đảm bảo sai số cho phép của máy 49 32 Hình 4.2 Chuyển động với bước bé nhất của đầu đo giữa hai 50 điểm 33 Hình 4.3 Xê dịch trong phạm vi cho phép của đầu đo 52 34 Hình 4.6 Các dạng sai số chế tạo khâu robot 53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 7 35 Hình 4.7 Tay máy một khâu quay 54 36 Hình 4.8 Tay máy 2 khâu quay 55 37 Hình 4.9 Cách sử dụng kết quả tính toán dung sai 56 38 Hình 4.10 Khe hở hướng kính δ và khe hở dọc trục:δ1+δ2 58 39 Hình 4.11 Ball screws 58 40 Hình 4.17 Hình ảnh đầu đo CMM tiêu chuẩn 62 41 Hình 5.1 Gá đặt chi tiết lên máy và giao diện người dùng 65 42 Hình 5.2 Add-in Chen Toa Do Z 66 43 Hình 5.3 File *.XYZ 67 44 Hình 5.4 Cách mở file *.xyz 68 45 Hình 5.5 Cách sử dụng Add-ins ScanTo3D 68 46 Hình 5.6 Dữ liệu đám mây điểm mở bằng file *.xyz 68 47 Hình 5.7 Hoàn thiện chi tiết 69 48 Hình 5.8 Biên dạng phóng đại biên dạng sau khi đo được 70 49 Hình 5.9 Phương pháp làm mịn 70 50 Hình 5.10 Biên dạng đã xử lý hoàn thiện với 1000 vòng lặp 70 (đường màu đỏ) 51 Hình 5.12 Trích đoạn dữ liệu tọa độ điểm 3D của 3 đường sinh 72 52 Hình 5.14 Đo kiểm độ chính xác của máy với dưỡng mẫu 74 STT Kí hiệu Nội dung Trang 1 Sơ đồ 1.1 Quá trình sản xuất thuận 15 2 Sơ đồ 1.2 Quá trình sản xuất ngược 15 3 Sơ đồ 3.1 Sơ đồ HT công nghệ và chuyển đổi tọa độ giữa các 37 không gian 4 Sơ đồ 3.2 Sơ đồ động học tay đo dưới dạng 3D 39 5 Biểu đồ 4.12 So sánh hiệu quả của vít-me bi 59 6 Biểu đồ 4.13 Biểu đồ mô tả độ chính xác của vít-me bi 59 7 Biểu đồ 4.14 Khoảng sai số của vít-e bi 60 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 8 8 Sơ đồ 5.11 Thuật toán chương trình làm mịn biên dạng 71 9 Sơ đồ 5.13 Thuật toán chương trình xây dựng mặt cong 72 STT Kí hiệu Nội dung Trang 1 Bảng 4.4 Trích dữ liệu tính toán encoder của tay máy 52 2 Bảng 4.5 Kết quả tính toán encoder 53 3 Bảng 4.15 Bảng các cấp độ chính xác vít-me bi của hãng THK 60 4 Bảng 4.16 Bảng thống kê các ứng dụng của vít-me bi 61 5 Bảng 4.18 Bảng thống kê các cấp chính xác đầu đo CMM 62 6 Bảng 4.19 Bảng thống kê cấp chính xác, dung sai của bi cầu 63 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 9 MỤC LỤC Mở đầu ........................................................................................................ Trang 12 Chương 1: Tổng quan về vấn đề số hóa bề mặt ....................................... Trang 14 1.1. Sản xuất ngược là gì .............................................................................. Trang 14 1.2. Thiết bị số hóa và đo lường trong sản xuất ngược ................................ Trang 16 1.2.1. Các loại máy CMM ......................................................................... Trang 16 1.2.1.1. Máy công cụ số hóa .................................................................. Trang 16 1.2.1.2.Máy quét Laser .......................................................................... Trang 16 1.2.1.3. Máy đo tọa độ CMM................................................................. Trang 17 1.2.2. Các loại đầu dò................................................................................ Trang 18 1.2.2.1. Đầu dò điểm tiếp xúc ............................................................... Trang 18 1.2.2.2. Đầu quét liên tục ....................................................................... Trang 18 1.2.2.3. Đầu quét Laser ......................................................................... Trang 19 1.3. Cơ sở lý thuyết xây dựng đường cong, mặt cong ................................. Trang 19 1.3.1. Phương pháp nội suy....................................................................... Trang 19 1.3.1.1. Phương pháp nội suy theo đa thức Lagrange ............................ Trang 19 1.3.1.2. Phương pháp nội suy đường cong tham số bậc 3 từng khúc .... Trang 20 1.3.1.3. Phương pháp nội suy đường cong Spline bậc 3 ........................ Trang 20 1.3.2. Phương pháp xấp xỉ ........................................................................ Trang 21 1.3.2.1. Xấp xỉ Bézier ............................................................................ Trang 21 1.3.2.2. Xấp xỉ B-spline ......................................................................... Trang 23 1.3.3. Phương pháp số từ dữ liệu đám mây điểm ..................................... Trang 23 1.4. Kết luận chương 1 ................................................................................. Trang 24 Chương 2: Nguyên lý, cấu trúc máy đo ba chiều kiểu robot .................. Trang 26 2.1. Định hướng đề tài.................................................................................. Trang 26 2.1.1. Lý do chọn đề tài............................................................................. Trang 26 2.1.2. Mục tiêu của nghiên cứu ................................................................. Trang 26 2.1.3. Phương pháp và phương pháp luận ................................................ Trang 27 2.1.4. Ý nghĩa của nghiên cứu .................................................................. Trang 27 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 10 2.2. Một số nghiên cứu ở Việt Nam có liên quan đến đề tài ....................... Trang 28 2.3. Định hướng thiết kế .............................................................................. Trang 29 2.3.1. Thiết bị CMM 2D đã có ................................................................. Trang 29 2.3.2. Nâng cấp máy thiết bị số hóa CMM 2D lên 3D ............................. Trang 30 2.3.3. Ý tưởng thiết kế thiết bị số hóa bề mặt vật thể kiểu tay robot ........ Trang 34 2.4. Kết luận chương 2 ................................................................................. Trang 36 Chương 3: Thiết kế động học máy đo ....................................................... Trang 37 3.1. Chuyển đổi tọa độ điểm giữa các không gian ....................................... Trang 37 3.2. Phương trình động học robot 3 khâu .................................................... Trang 38 3.3. Giải bài toán động học robot 3 khâu bằng phương pháp giải tích ........ Trang 40 3.4. Giải bài toán động học bằng phương pháp số ....................................... Trang 43 3.4.1. Cơ sở lý thuyết ................................................................................ Trang 43 3.4.2. Tính toán cho cánh tay TRR ........................................................... Trang 45 3.5. Kết luận chương 3 ................................................................................. Trang 47 Chương 4: Xác định sai số các thành phần của thiết bị .......................... Trang 48 4.1. Các dạng sai số ...................................................................................... Trang 48 4.2. Sai số do lựa chọn độ phân giải của các Encoder ................................. Trang 49 4.3. Sai số do cấu trúc của robot ................................................................. Trang 53 4.4. Sai số do khe hở của ổ bi đỡ ................................................................. Trang 55 4.5. Sai số bộ truyền vít-me bi ..................................................................... Trang 58 4.6. Bi thép dùng làm đầu đo ....................................................................... Trang 62 4.6.1. Xét đầu đo tiêu chuẩn ..................................................................... Trang 62 4.6.2. Đầu đo được chế tạo từ viên bi ....................................................... Trang 63 4.7. Kết luận chương 4 ................................................................................. Trang 64 Chương 5: Thu thập và xử lý dữ liệu đo ................................................... Trang 65 5.1. Sử dụng máy đo .................................................................................... Trang 65 5.2. Phân tích kết quả đo .............................................................................. Trang 69 5.2.1. Xử lý dữ liệu 2D ............................................................................. Trang 69 5.2.2. Xây dựng dữ liệu 3D ....................................................................... Trang 71 5.3. Đối chứng kết quả đo ............................................................................ Trang 73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 11 5.4. Kết luận chương 5 ................................................................................. Trang 74 Kết luận đề tài.............................................................................................. Trang 75 Tài liệu tham khảo ...................................................................................... Trang 76 Phụ lục .......................................................................................................... Trang 78 Phụ lục 1: Code chương trình VBA viết Add-in “Chen Toa Do Z” ........... Trang 78 Phụ lục 2: Code lập trình phần mềm “SoHoa3D_Matlab” ......................... Trang 81 Phụ lục 3: Code chương trình PLC điều khiển trục Z ................................. Trang 91 Phụ lục 4: Bản vẽ thiết kế ........................................................................... Trang 92 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 12 MỞ ĐẦU Sản xuất tích hợp CAD/CAM hiện là công cụ lao động tiên tiến nhất của con người trong sản xuất công nghiệp, dây chuyền sản xuất gồm nhiều tế bào tự động linh hoạt giữ các vai trò khác nhau như: - Mô đun CAD có chức năng tạo lập thiết kế. - Mô đun CAM chức năng chuyển thiết kế CAD sang thành dữ liệu đường chuyển dao. - Mô đun vận chuyển gồm băng tải tự động và các robot công nghiệp. - Mô đun lưu trữ tự động gồm các ổ tích dao và kho tự động. - Mô đun tái tạo thiết kế cho quá trình ngược (RE), kiểm tra đo lường tự động (CMM). Đồng bộ toàn bộ hệ thống đòi hỏi đầu tư lớn trong khi các nhu cầu về số hóa biên dạng bề mặt 3D và đo kiểm bằng thiết bị cơ điện tử là rất lớn, các ưu thế về tính tích hợp, độ chính xác làm cho thiết bị đo cơ điện tử giải quyết hầu hết các hạn chế của các phương pháp đo truyền thống. Thiết bị số hóa dữ liệu bề mặt vật thể thực chất là một máy đo CMM (Coordinate Measuring Machines) dựa trên kỹ thuật thiết kế ngược RE (Reverse Engineering). Máy CMM có nhiều cấu hình khác nhau từ Caltiliver, work shop floor, frame, robot arm…trong đó cấu hình robot do khối lượng và kích thước nhỏ gọn thường được gọi là máy CMM xách tay hay để bàn có tính linh hoạt trong sử dụng. Thiết kế tay đo này ứng dụng các kỹ thuật như thiết kế robot. Luận văn tập trung vào nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy đo biên dạng 3D kiểu tay robot dựa trên một tay đo 2D(XY) đã có sẵn. Yêu cầu với phần cứng là nhận diện được linh kiện điện tử với năng lực vừa đủ đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư. Quá trình thiết kế đã bổ sung thêm bàn trượt trục Z, bộ điều khiển trục Z, chế tạo đầu đo tiêu chuẩn và viết phần mềm xử lý số liệu để tổng hợp mặt cong 3D. Thiết bị sau khi kiểm tra cho thấy đảm bảo độ chính xác kích thước theo yêu cầu đặt ra cũng như độ chính xác về hình dáng hình học. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 13 Phương pháp tiếp cận qua kiểm chứng cho thấy sự phù hợp để phát triển các máy có độ chính xác cao hơn nữa. Nội dung của luận văn bao gồm 5 chương: Chương 1: Tổng quan về vấn đề số hóa bề mặt Chương 2: Nguyên lý, cấu trúc máy đo ba chiều kiểu tay robot Chương 3: Thiết kế động học máy đo Chương 4: Xác định sai số thiết bị Chương 5: Thu thập và xử lý dữ liệu đo Đề tài đã sử dụng các kỹ thuật robot để thiết kế và chế tạo một thiết bị số hóa dữ liệu bề mặt vật thể kiểu robot arm với giá thành rẻ hơn so với tay đo CMM nhập khẩu nhằm mục đích tập trung vào số hóa biên dạng đơn thuần hoặc có thể phục vụ cho việc đo lường. Thiết bị sẽ số hóa được các biên dạng không gian ba chiều đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu xác định trước. Kết nối CAD/CAM/CNC để đánh giá mức độ chính xác của thiết bị so với lý thuyết đã xây dựng. Dự kiến ứng dụng thiết bị số hóa bề mặt vật thể kiểu Robot mà chúng tôi chế tạo: - Ứng dụng cho các cơ sở sản xuất có máy CNC không có điều kiện đầu tư máy nhập khẩu. - Ứng dụng trong giảng dạy và nghiên cứu khoa học tại trường Đại học kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 14 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ SỐ HÓA BỀ MẶT 1.1. Sản xuất ngược là gì? - Sản xuất ngược là một khái niệm bắt nguồn từ kỹ thuật ngược (Reserve Engineering), là kỹ thuật tái hiện lại một chi tiết hay bộ phận có sẵn không phải qua thiết kế từ đầu mà thông qua một thiết bị số hóa biên dạng bề mặt. Sản xuất ngược ngày nay được ứng dụng rất rộng rãi trên nhiều lĩnh vực, nhiều ngành nghề, đặc biệt là trong công nghệ chế tạo ô tô. Nắm bắt được thị hiếu của người tiêu dùng, nhiều loại xe đã được ra đời một cách nhanh chóng với nhiều kiểu dáng mẫu mã khác nhau. Mỗi lần thay đổi công nghệ như vậy sẽ rất tốn kém, ảnh hưởng rất lớn đến chi phí trong sản xuất. Dó đó nhà sản sản xuất chỉ việc số hóa một chiếc xe, từ đó chỉnh sửa trên các phần mềm CAD thì có thể cho ra đời một mẫu xe mới. - Các lĩnh vực ứng dụng chính của thiết kế ngược bao gồm: + Thiết kế chế tạo khuôn mẫu (khuôn nhựa, khuôn đúc , ..) + Gia công CNC (dữ liệu mô hình CAD đầu vào ) + Thiết kế, sản xuất hàng tiêu dùng (điện thoại, đồ gia dụng ) + Công nghiệp ô tô, hàng không, y tế và giáo dục, ... + Sao chép, phục hồi, sản xuất phụ tùng đơn chiếc không còn sản xuất. + Ngoài việc phục vụ thiết kế chế tạo, quy trình thiết kế ngược còn được sử dụng để kiểm tra, đánh giá độ chính xác giữa sản phẩm gia công so với nguyên mẫu. + Tạo các mẫu mã mới so với hình dáng ban đầu. - Kỹ thuật ngược có bản chất từ bài toán lấy mẫu chi tiết và vật thể có sự trợ giúp của máy tính. Bài toán đặt ra là làm sau có thể chế tạo chi tiết khác giống hệt chi tiết đã có. Với các biên dạng phức tạp không thể dùng các dụng cụ đo thông thường để dựng lại bản vẽ chi tiết đó được. Do đó, một ý tưởng đánh dấu số điểm trên bề mặt vật thể và nối các điểm đó lại với nhau sẽ bao trùm lên toàn bộ vật thể. Số điểm càng gần nhau sẽ thể hiện đúng hình dáng hình học của chi tiết nhất, có nhiều phương án để dựng lại bề mặt, đó là sử dụng phương pháp toán học để nội suy các đường cong, mặt cong từ các điểm đánh dấu (mặt cong Bizier, Spline bậc 3, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 15 Hermite...) hay tạo ra đám mây điểm (Point Cloud) từ thiết bị điện tử. Trong luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu số hóa bề mặt dựa trên việc tạo ra đám mây điểm. Phương pháp này cho độ chính xác hình dáng hình học cao vì dựa trên tần suất lấy mẫu nhanh của các cảm biến điện tử. - Sản xuất thuận hay phương pháp sản xuất theo truyền thống là quá trình xuất phát từ yêu cầu công việc, người thiết kế phải nãy ra các ý tưởng và hình dung ra hình dáng hình học của chi tiết đó và bắt tay vào thiết kế, sử dụng các phần mềm CAD để vẽ, chỉnh sửa, mô phỏng động học đến khi hoàn thành việc thiết kế. Giai đoạn tiếp theo là chế thử, nếu sản phẩm thử đạt yêu cầu sẽ được gia công chế tạo, nếu không đạt phải xem lại phần thiết kế. Ý tưởng Thiết kế No Nhu cầu Tạo mẫu thử Kiểm tra Yes Sản phẩm Gia công Sơ đồ 1.1. Quá trình sản xuất thuận - Sản xuất ngược xuất phát từ nhu cầu phải chế tạo một vật giống như vật mẫu khi không có bản vẽ thiết kế ban đầu. Một thiết bị điểm hình trong kỹ thuật ngược đó là máy đo tọa độ CMM (Coordinate Measuring Machines), CMM được trang bị cả phần cứng và phần mềm dùng để thu thập tọa độ các điểm trên bề mặt vật thể. Từ dữ liệu điểm đã có, ứng dụng các phần mềm CAD/CAM thông dụng như SolidWorks, Catia, ProEngneer... để dựng và hoàn thiện lại bề mặt. Bước tiếp theo là gia công chế tạo sản phẩm trên các máy CNC. Vật mẫu Số hóa bề mặt bằng máy CMM Xử lý dữ liệu bằng CAD/CAM Gia công CNC Sơ đồ 1.2. Quá trình sản xuất ngược Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Sản phẩm 16 - Sản xuất ngược thực chất là quá trình sao chép mẫu. Do tính chất như vậy nên được ứng dựng để giải quyết các bài toán trong kỹ thuật như: + Thiết kế chi tiết dựa vào chi tiết đã có. + Lưu lại cơ sở dữ liệu của một chi tiết vừa mới thiết kế. + Phục hồi lại các chi tiết không còn bản vẽ. + Cho ra đời một mẫu mã mới bằng cách chỉnh sửa dữ liệu điểm thu được. - Chính nhờ ưu điểm của phương pháp thiết kế ngược là cho phép thiết kế nhanh và chính xác mẫu thiết kế có độ phức tạp hình học cao, hoặc mẫu dạng bề mặt tự do (không xác định được quy luật tạo hình). Vì vậy, nó được ứng dụng cao trong nghiên cứu và phát triển sản phẩm (R&D). Đặc biệt trong các lĩnh vực có vòng đời sản phẩm ngắn như hàng tiêu dùng, ô tô, xe máy, bao bì nhựa. Phù hợp với các doanh nghiệp nhỏ sử dụng lợi thế của công nghệ để bắt kịp các doanh nghiệp lớn khác. 1.2. Thiết bị số hóa và đo lường trong sản xuất ngược Một trong những công đoạn quan trọng mang tính quyết định của quá trình sản xuất ngược là thu thập được dữ liệu tọa độ điểm của chi tiết mẫu. Để thực hiện được điều đó cần phải sử dụng các thiết bị chuyên dùng, gọi chung thiết bị này là máy đo tọa độ CMM. Hai bộ phận quan trọng cấu thành nên máy CMM đó là các loại đầu đo và thân máy. Độ chính xác của hai bộ phận này quyết định rất nhiều độ chính xác kích thước, do đó trên thế giới đã xuất hiện nhiều công ty chuyên sản xuất các linh kiện riêng rẽ của loại máy này, nhằm tăng khả năng chuyên môn hóa cho thiết bị. 1.2.1. Các loại máy CMM Tùy thuộc vào phạm vi hoạt động, ứng dụng đo 2D hay 3D, mức độ phức tạp của bề mặt chi tiết, số bậc tự do của máy mà phân loại CMM thành các dạng khác nhau. Sau đây ta sẽ xét đến các loại thiết bị có thể dùng cho bài toán tái hiện ngược. 1.2.1.1. Máy công cụ số hóa Đây là loại máy được thiết kế chủ yếu để phục vụ việc gia công. Tuy nhiên trong những mẫu máy mới có trang bị thêm thiết bị để kết hợp làm nhiệm vụ “tái hiện ngược”. Bản chất của nó là máy gia công chi tiết cơ khí với đầu mang dao thông thường có 3 chuyển động tịnh tiến theo 3 chiều của hệ trục tọa độ Đề-các. Như vậy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 17 nếu ta thay thế đầu dao gia công bằng một đầu dò và đặt chi tiết cần lấy mẫu lên bàn máy thì lúc này ta đã có một máy với công dụng tương đương với máy đo tọa độ 3 chiều. Đầu dò sẽ quét trên bề mặt của vật mẫu và ghi lại tọa độ của các điểm cần đo. 1.2.1.2. Máy quét Laser Đây là loại máy CMM sử dụng đầu đo không tiếp xúc, sử dụng tia laser phát ra để đo khoảng cách từ đầu phát đến vật thể, từ đó máy tính sẽ tính toán và số hóa được dữ liệu bề mặt. Đây là loại thiết bị đo có khả năng thu thập dữ liệu nhanh, tiếp cận tới những vị trí khó khăn, những biên dạng phức tạp. Hình 1.1. Máy quét laser 3D 1.2.1.3. Máy đo tọa độ CMM Đây là loại thiết bị ứng dụng kỹ thuật cơ điện tử (Mechatronics) để chế tạo. Thông qua đầu đo tiếp xúc trực tiếp đến bề mặt chi tiết, hệ thống các cảm biến (Sensor) sẽ phát hiện sự thay đổi vị trí và đưa tín hiệu về bộ xử lý trung tâm. Bộ xử lý này sẽ tính toán và đưa ra tọa độ X,Y,Z và lưu các dữ liệu điểm này vào máy tính dưới các định dạng đuôi khác nhau như *.xls,*.txt,*.xyz,*.dwg,*.dxf,*.part …Sau đó dựa trên các phần mềm CAD/CAM có thể chỉnh sửa và xuất sang file *.NC để gia công trên các máy CNC. Máy CMM có nhiều cấu hình khác nhau, tùy theo mục đích và phạm vi hoạt động. Các loại thông dụng điển hình như: - Cấu hình Brigde (hình 1.2a) Đây là thiết bị có kết cấu dạng khung cầu, băng máy hoạt động tịnh tiến theo các trục X,Y,Z. Thông thường máy này dùng để đo các biên dạng 2D hạn chế về khả năng đo 3D. Kích thước máy lớn để do các chi tiết lớn do đó phải đặt ở vị trí cố định. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 18 - Cấu hình WorkShop-Floor (hình 1.2b) Đây là thiết bị có kết cấu ứng dựng từ robot song song, sử dụng các phương pháp động học robot song song để tính toán vị trí không gian của đầu đo tiếp xúc với chi tiết. Loại thiết bị này có kích thước tương đối vừa phải, đo được các biên dạng 3D nhưng không gian đo bị hạn chế bởi kết cấu máy. - Cấu hình Arm (hình 1.2c) Đây là thiết bị đo CMM kiểu tay robot, sử dụng kỹ thuật robot là bài toán động học ngược để xác định vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối. Tùy vào khả năng đo của máy mà số bộ tự do tăng tương ứng, trên mỗi khớp có gắn một encoder để phát hiện sự thay đổi về góc giữa hai khâu. Khi làm việc đầu đo trượt trên bề mặt vật thể làm cho các khớp quay và các encoder sẽ ghi lại trị số góc quay của từng khớp tương ứng. Sau đó thông qua các chương trình phần mềm sẽ tính toán và đưa ra được tọa độ ứng với vị trí tiếp xúc của đầu đo. Trong phạm vi đề tài chỉ tập trung nghiên cứu và giải mã máy CMM có cấu hình cánh tay robot. a) Cấu hình Brigde b) Cấu hình WorkShop-Floor c) Cấu hình Arm Hình 1.2. Ví dụ các cấu hình máy đo CMM 1.2.2. Các loại đầu dò Cấu hình máy là một bộ phận quan trọng quyết định sự làm việc của máy. Sự tiếp xúc giữa chỉ tiết và máy quyết định độ chính xác cũng như khả năng đo của thiết bị. 1.2.2.1. Đầu dò điểm tiếp xúc (hình 1.5) Với loại sensor này khi thực hiện thao tác đo, đầu dò sẽ tiếp xúc trực tiếp với bề mặt cần đo. Tiếp điểm của đầu đo và bề mặt là tọa độ cần xác định của phép đo. Ưu điểm của loại sensor này là độ chính xác cao, giá thành thấp, lực tiếp cận nhỏ. Còn nhược điểm là tốc độ xác định dữ liệu điểm chậm. 1.2.2.2. Đầu quét liên tục Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 19 Đây cũng là loại đầu dò tiếp xúc, nhưng khác với loại trên chỉ ghi nhận dữ liệu điểm khi có lệnh của người thao tác. Còn với loại sensor này 11 dữ liệu sẽ được ghi liên tục khi đầu quét di trượt trên bề mặt đo. Vì vậy tập dữ liệu chứa một số lượng rất lớn điểm đo. Ưu điểm của phương pháp đo này là độ chính xác tương đối cao, dữ liệu liên tục. Nhược điểm là đầu dò có thể chệch hướng khi đo. 1.2.2.3. Đầu quét Laser (hình 1.6) Không như hai loại đầu quét kể trên là có sự tiếp xúc của đầu đo với bề mặt cần đo. Ở đây đầu đo sẽ sử dụng kỹ thuật laser để bắt các điểm đo. Các tia laser với cường độ lớn sẽ được phát ra đến bề mặt đo vì vậy sẽ đo được các bề mặt lớn với khoảng cách tương đối xa. Đặc điểm nổi bật của phương pháp này là bắt dữ liệu nhanh, đầu đo không tiếp xúc cơ học với bề mặt, do vậy có thể đo được các bề mặt với chất liệu mềm. Nhược điểm của đầu đo này là: sự giới hạn phạm vi đo theo chiều trục Z; không đo được các bề mặt phản xạ; yêu cầu bề mặt đo phải thẳng góc. Hình 1.3. Đầu dò điểm tiếp xúc Hình 1.4. Đầu quét Laser 1.3. Cơ sở lý thuyết xây dựng đường cong, mặt cong [4] Có ba phương pháp để xây dựng đường cong trong không gian. Đó là phương pháp toán học (nội suy đường từ tập hợp các điểm); phương pháp xấp xỉ; phương pháp tạo đường cong mặt cong từ ma trận dữ liệu điểm thu thập được (phương pháp số). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn