Bài báo trình bày quy trình ứng dụng công nghệ Class-A Surface Modeling bằng phần mềm Autodesk Alias Studio cho thiết kế ngược các chi tiết chất lượng cao trong công nghiệp ô tô và sản phẩm tiêu dùng. Quy trình được xây dựng từ dữ liệu quét 3D của chi tiết cản sau trên mô hình xe Porsche Macan 2013, qua các giai đoạn xác định patch layout, dựng đường curve cơ sở, tạo bề mặt chính và bề mặt chuyển tiếp, đến xuất dữ liệu sang các phần mềm kỹ thuật như CATIA, NX. Việc kiểm soát liên tục hình học (G0, G1, G2), sử dụng các công cụ đánh giá chất lượng bề mặt (Curvature Evaluation, Zebra Analysis, Deviation Map) giúp đảm bảo chi tiết đạt tiêu chuẩn Class-A, phù hợp cho sản xuất hàng loạt. Kết quả thiết kế ngược cho thấy kết quả tốt với đạt sai lệch dưới 0.2mm so với dữ liệu quét gốc và 100% ranh giới patch đạt liên tục G2.
Trang 1Ứng dụng Autodesk Alias Studio để xây dựng bề mặt Class-A trong
thiết kế ngược các chi tiết chất lượng cao
Lê Văn Dũng 1
Trường Cơ khí - Ô Tô, Đại học Công nghiệp Hà Nội
Tóm tắt: Bài báo trình bày quy trình ứng dụng công nghệ Class-A Surface
Modeling bằng phần mềm Autodesk Alias Studio cho thiết kế ngược các chi tiết chất lượng cao trong công nghiệp ô tô và sản phẩm tiêu dùng Quy trình được xây dựng từ dữ liệu quét 3D của chi tiết cản sau trên mô hình xe Porsche Macan 2013, qua các giai đoạn xác định patch layout, dựng đường curve cơ sở, tạo bề mặt chính và bề mặt chuyển tiếp, đến xuất dữ liệu sang các phần mềm kỹ thuật như CATIA, NX Việc kiểm soát liên tục hình học (G0, G1, G2), sử dụng các công cụ đánh giá chất lượng bề mặt (Curvature Evaluation, Zebra Analysis, Deviation Map) giúp đảm bảo chi tiết đạt tiêu chuẩn
Class-A, phù hợp cho sản xuất hàng loạt Kết quả thiết kế ngược cho thấy kết quả tốt với đạt sai lệch dưới 0.2mm so với dữ liệu quét gốc và 100% ranh giới patch đạt liên tục G2
Từ khóa: CAS, Class-A Surface, thiết kế ngược, Autodesk Alias, Bézier
1 Introduction
Trong bối cảnh toàn cầu hóa và sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp chế tạo, đặc biệt là trong lĩnh vực ô tô và các sản phẩm tiêu dùng cao cấp, chất lượng bề mặt của các chi tiết sản phẩm ngày càng được xem là yếu tố then chốt quyết định giá trị thương hiệu và năng lực cạnh tranh trên thị trường [1][2] Các hãng sản xuất lớn không chỉ đòi hỏi độ chính xác về kích thước, mà còn yêu cầu sự hoàn hảo về mặt thẩm mỹ, tính liên tục hình học và độ liền lạc tuyệt đối giữa các vùng bề mặt
Class-A Surface đại diện cho tiêu chuẩn chất lượng cao nhất của bề mặt ba chiều trong thiết kế công nghiệp, được định nghĩa bởi ba yếu tố cốt lõi: (1) Độ chính xác hình học tuyệt đối với khả năng liên tục G0 (vị trí), G1 (tiếp tuyến), G2 (độ cong) hoàn hảo giữa các patch bề mặt; (2) Chất lượng thẩm mỹ vượt trội, đảm bảo phản xạ ánh sáng mượt mà, không xuất hiện vết gãy, gợn sóng hay bất thường trên bề mặt; (3) Khả năng sản xuất tối ưu, phù hợp với các công nghệ gia công hiện đại.[4]
Trong lĩnh vực công nghiệp hiện đại, việc số hóa và phục dựng các chi tiết phức tạp bằng thiết kế ngược (reverse engineering) đang ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt trong các dự án phục chế linh kiện, nội địa hóa sản xuất và phát triển sản phẩm mới [5 ,14] Tuy nhiên, các sản phẩm thiết kế ngược truyền thống thường chỉ đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật mà chưa đạt được chất lượng thẩm mỹ cao do bề mặt không đạt tiêu chuẩn Class-A Để giải quyết vấn đề này, việc tích hợp các tiêu chí Class-A Surface vào toàn bộ chu trình thiết kế ngược đã trở thành xu hướng tất yếu
Autodesk Alias Studio đã khẳng định vị thế là phần mềm hàng đầu được tin dùng bởi hầu hết các tập đoàn ô tô lớn nhất thế giới Điển hình như các thương hiệu danh tiếng BMW, Mercedes-Benz, Audi, Porsche, Volkswagen từ Đức; Ford Motor Company và
Trang 2General Motors từ Mỹ; Toyota, Honda, Nissan từ Nhật Bản; Hyundai-Kia từ Hàn Quốc; cùng với Volvo, Tesla và nhiều hãng xe cao cấp khác đều sử dụng Alias làm công cụ chuẩn cho thiết kế tạo hình ngoại thất và phát triển bề mặt Class-A[6] Các nhà thiết kế tại các trung tâm R&D hàng đầu như BMW (Munich), Mercedes-Benz (Stuttgart), Audi (Ingolstadt), Ford (Dearborn), và GM (Detroit) đều sử dụng Alias để hỗ trợ toàn diện quy trình kiểm tra chất lượng hình học, đảm bảo các tiêu chí khắt khe về liên tục G0, G1, G2,
và kết nối liền mạch với các nền tảng CAD/CAM/PLM hiện đại [7]
Bài báo này trình bày quy trình tích hợp toàn diện các tiêu chí bề mặt Class-A vào chu trình thiết kế ngược bằng Autodesk Alias Studio, nhằm tạo ra các mô hình số không chỉ đảm bảo độ chính xác hình học từ dữ liệu quét 3D mà còn đạt giá trị thẩm mỹ tối ưu, sẵn sàng cho sản xuất hàng loạt và truyền thông thương hiệu Quy trình này, đã được kiểm chứng tại các studio thiết kế danh tiếng và các trung tâm Advanced Design của các OEM lớn, hứa hẹn sẽ mang lại giá trị thực tiễn trong thiết kế và phát triển sản phẩm tại Việt Nam, đặc biệt trong việc tạo ra các sản phẩm có bề mặt đạt chất lượng thẩm mỹ và
kỹ thuật cao
2 Cơ sở lý thuyết
2.1 Đường cong Bézier
Đường cong Bézier là một đường cong tham số (parametric curve) được sử dụng phổ biến trong đồ họa máy tính và các lĩnh vực liên quan [3] Đường cong Bézier được đặt theo tên của kỹ sư người Pháp Pierre Bézier (1910–1999), người đã sử dụng nó vào những năm 1960 để thiết kế các đường cong cho phần thân xe của hãng Renault[8] Một tập hợp rời rạc các điểm điều khiển được dùng để xác định nên một đường cong mượt, liên tục thông qua một công thức toán học Thông thường, đường cong này được thiết kế nhằm xấp xỉ một hình dạng thực tế – đặc biệt trong trường hợp khó có biểu diễn toán học chính xác hoặc biểu diễn đó quá phức tạp để xử lý trực tiếp
Công thức toán học:
B (t )=∑
i=0
n
b i , n(t ) Pi , với 0 ≤ t ≤ 1 (1) Trong đó:
B (t ): là vị trí của một điểm trên đường cong tại thời điểm ttt
P i: là các điểm điều khiển (control points), xác định hình dạng tổng thể của đường cong
b i , n (t ): là các đa thức cơ sở Bernstein, dùng làm trọng số để kết hợp các điểm
Đa thức Bernstein được tính theo công thức:
b i , n(t )=(n
j )t i (1−t ) n−1 2
Với:
Trang 3j)= n !
i ! (n−i)!:là hệ số nhị thức (binomial coefficient)
t∈[0,1]: là tham số chạy liên tục từ 0 đến 1, điều khiển sự dịch chuyển trên đường cong
Hình 1 Bézier curve với 4 điểm điều khiển
2.2 Bề mặt Bézier
Bề mặt Bézier là một dạng spline toán học được ứng dụng phổ biến trong đồ họa máy tính, thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD), và mô hình phần tử hữu hạn (FEM) Tương tự như đường cong Bézier, bề mặt Bézier được xác định bởi một lưới các điểm điều khiển Mặc dù có nhiều điểm tương đồng với phép nội suy, điểm khác biệt nổi bật là
bề mặt không nhất thiết đi qua các điểm điều khiển trung tâm; thay vào đó, hình dạng của
nó được hướng về các điểm này như thể chịu ảnh hưởng bởi các "lực hút" hình học Nhờ khả năng biểu diễn bề mặt một cách mượt mà, dễ điều chỉnh và chính xác, bề mặt Bézier trở thành một công cụ trực quan và hiệu quả trong các ứng dụng thiết kế yêu cầu chất lượng hình học cao, đặc biệt là trong mô hình hóa bề mặt Class-A [12]
Một bề mặt Bézier cho trước có bậc (n,m) được xác định bởi một tập hợp (n+1) (m+1) điểm điều khiển k i , jvới i=0, ,n và j=0, ,m Nó ánh xạ hình vuông đơn vị thành một bề mặt trơn liên tục được nhúng trong không gian chứa các điểm k i , j - ví dụ, nếu tất
cả các k i , j đều là các điểm trong không gian bốn chiều, thì bề mặt sẽ nằm trong không gian bốn chiều
Một bề mặt Bézier hai chiều có thể được định nghĩa là một bề mặt tham số, trong đó
vị trí của một điểm p dưới dạng một hàm của các tọa độ tham số u, v được cho bởi:[4]
P (u , v )=∑
i=0
n
∑
j=0
m
k i , j B i n (u) Bi m
(v ) (3)
P4
P0
Trang 4Hình 2 Bề mặt Bézier bậc 4 theo phương uuu và bậc 3 theo phương
3 Quy trình tạo Surface Class-A từ file dữ liệu quét 3D
Dữ liệu quét ban đầu là một bản sao kỹ thuật số thô của mô hình vật lý, thường ở dạng lưới tam giác hoặc đám mây điểm Ví dụ như trong ngành công nghiệp ô tô, nguồn gốc của dữ liệu này tương tự như là các mô hình đất sét (clay models) được tạo ra thủ công bởi các nhà thiết kế [13 ,14] Dữ liệu này chỉ là một bản ghi kỹ thuật số "thô" của mô hình vật lý Đặc điểm của loại dữ liệu này là sự thiếu hụt hoàn toàn các thuộc tính hình học quan trọng: nó không có tính liên tục G0, G1, G2 và cấu trúc rời rạc, không đồng nhất Hơn nữa, dữ liệu quét luôn chứa sai số và nhiễu do quá trình thu thập, dẫn đến bề mặt lởm chởm, không phẳng Do những hạn chế này, dữ liệu quét ban đầu không thể đáp ứng trực tiếp các yêu cầu về mặt thẩm mỹ lẫn kỹ thuật cho quy trình sản xuất
Trong bài báo này, tôi sử dụng dữ liệu quét 3D của chi tiết cản sau trên mô hình xe Porsche Macan 2013 (Hình 3, 4) làm chi tiết thực hành Đây là một chi tiết có hình dạng phức tạp với nhiều đường cong và yêu cầu về kỹ thuật thẩm mỹ cao, rất phù hợp để kiểm chứng hiệu quả của quy trình Class-A Surface Modeling trong ứng dụng thực tế
Hình 3 Hình ảnh thực tế chi tiết cản sau trên mô hình xe Porsche Macan(a), dữ
liệu quét được hiển thị trên phần mềm Alias Studio(b)
Trang 5Dữ liệu quét Class A surface
Hình 4 Mô hình hóa bề mặt từ dữ liệu quét 3D
Dưới đây là sơ đồ tổng quát quy trình chuyển đổi từ dữ liệu quét 3D thành bề mặt Class A (Hình 4) đã được được sử dụng trong bài báo này:
Hình 4 Quy trình tạo bề mặt Class A
4 RESULTS AND DISCUSSION
4.1 Nhận định Patch Layout trong quy trình tạo Surface Class-A
Trong giai đoạn đầu tiên của quy trình, nhận định patch layout là bước nền tảng nhằm xác định cách chia nhỏ bề mặt tổng thể thành các vùng (patch) hợp lý Việc bố trí các patch hợp lý sẽ giúp kiểm soát tốt hơn hình học, giảm thiểu các lỗi cong, đồng thời tối
ưu hóa quá trình dựng và chỉnh sửa bề mặt
Về mặt toán học, việc đánh giá độ cong của bề mặt được dựa trên các đặc trưng của hình học vi phân Tại mỗi điểm trên bề mặt trơn S (u , v ), tồn tại hai giá trị độ cong chính
k1và k2, đại diện cho độ cong cực đại và cực tiểu tại điểm đó, tương ứng với hai phương chính vuông góc trong mặt tiếp tuyến [10] Từ hai độ cong này, các đại lượng hình học quan trọng được xác định như (4) and (5):
- Độ cong Gaussian (K):
Trang 6- Độ cong trung bình (Mean curvature H):
H=k1+k2
Trong môi trường thiết kế thực tế, các đại lượng hình học vi phân như độ cong chính, độ cong Gaussian hay độ cong trung bình không chỉ mang ý nghĩa toán học thuần túy mà còn đóng vai trò cốt lõi trong việc định hình và kiểm soát chất lượng bề mặt Trong phần mềm Autodesk Alias, các đặc trưng này được hiển thị trực quan thông qua chế độ Curvature Evaluation (Hình 5), cho phép kỹ sư dễ dàng quan sát phân bố độ cong trên toàn bộ bề mặt dưới dạng bản đồ màu từ đó đưa ra quyết định nhanh hơn và tối ưu hơn về cách chia patch
Hình 5 Phân tích Curvature Evaluation trên chi tiết Rear Bumper trong
Autodesk Alias Studio
4.2 Xác định các đường curve bezier cơ sở
Khi đã hình dung cơ bản được patch layout, bước tiếp theo là xác định các đường curve cơ sở, được xem như “khung sườn” của bề mặt cơ sở Các đường cong phản ánh đầy đủ đặc trưng hình học của chi tiết quét Để thực hiện, có thể sử dụng các công cụ cắt mặt phẳng (Cross Section Editor) với nhiều chế độ như Axis Increment, Axis Discrete, Planar hay Radial, tùy thuộc vào hình học và yêu cầu kiểm soát từng vùng (Hình 6) [11]
Hình 6 Tạo Section Curves cho dữ liệu theo phương Y và Z
1 số vùng có chuyển biến rõ về độ cong
Trang 7Sau khi đã có section data, sử dụng công cụ Fit Curve để chuyển các đoạn section này thành các curve Bézier (Hình 7)– đây là bước chuyển đổi giao tuyến thô thành dữ
liệu curve chuẩn, dễ dàng kiểm soát và hiệu chỉnh Sau khi tạo, các đường cong Bézier
được tinh chỉnh để tối ưu số lượng điểm điều khiển (CVs) ở mức tối thiểu cần thiết – đây
là nguyên tắc quan trọng trong dựng hình Bézier vì việc sử dụng quá nhiều CVs không những gây khó khăn khi kiểm soát mà còn có thể tạo ra biến dạng không mong muốn
Hình 7 Hình ảnh minh họa đường cong Bézier được tạo từ dữ liệu quét 3D
Đối với các đường cong được tạo thành từ hai đoạn trở lên, yêu cầu về độ liên tục hình học tại điểm nối là bắt buộc để đảm bảo sự chuyển tiếp mượt mà giữa các đoạn Cụ thể hai đoạn đường cong P[t0,t1] và P[t0,t1] được gọi là liên tục C k(hay, có liên tục tham
số bậc k) nếu các điều kiện sau được thỏa mãn tại điểm nối t1[9], and chúng được xác định bởi (6):
P (t1)=Q(t1), P '
(t1)=Q '
(t1), … , P k(t1)=Q k
(t1) (6)
Trong đó, P k(t1) là đạo hàm bậc k của đường cong P tại điểm t1, các đạo hàm này phải bằng nhau cả về phương hướng lẫn độ lớn
Ví dụ, trong bài này tôi đã ra hai đường cong P[t0,t1] và P[t0,t1] liên tiếp từ dữ liệu mặt cắt dọc chi tiết cản xe (Hình 8) Các đường cong này được xây dựng sao cho ít nhất đạt liên tục tham số C , thông qua việc đảm bảo điểm điều khiển cuối cùng của đường⁰ thứ nhất trùng với điểm điều khiển đầu tiên của đường thứ hai, tức p0≡ p7
Bézier curve
Dữ liệu quét
Trang 8Hình 8 Hai đường cong bézier được ghép nối với nhau một cách liên tục tại
điểm giữa
- Tiếp theo, hai đường cong P[t0,t1] và P[t0,t1] được nối tại điểm chung p0≡ p7, đạt C1 nếu:
3
t0−t1(p7− p6)= 3
t2−t1
Điều này nghĩa là vector tiếp tuyến tại điểm nối (đạo hàm bậc 1) của hai đường cong phải bằng nhau về cả phương và độ lớn
- Cuối cùng, đường cong sẽ đạt liên tục C2 nếu đã đạt C1 và đồng thời:
6
(t0−t1)2(p7−2 p6+ p5)= 3
t2−t1
Đây là điều kiện đạo hàm bậc hai bằng nhau tại điểm nối – đảm bảo độ cong (curvature) của hai đường bằng nhau và không bị “gãy” khi hiển thị bằng công cụ Curvature Comb trong Alias (Hình 10)
Phần mềm Alias cung cấp công cụ Align để thiết lập và duy trì các cấp độ liên tục hình học Gk giữa các đoạn đường cong Bézier tại điểm nối Người dùng chọn đoạn cong nguồn và đoạn cong đích, sau đó chỉ định cấp độ liên tục mong muốn Alias tự động điều chỉnh các điểm điều khiển (control vertices – CVs) của đoạn cong nguồn gần điểm nối, nhằm thỏa mãn các điều kiện toán học tương ứng với từng mức độ liên tục hình học (
G k) Điều này giúp đảm bảo sự chuyển tiếp mượt mà giữa các đoạn cong[11]
Hình 9 Đường cong Bézier đạt liên tục hình học G2 và liên tục tục tham số C2
Trang 9Hình 10 Curve bézier cơ sở hoàn chỉnh đạt liên tục G 2 và độ cong được phân
tích bằng công cụ Curvature Comb
Lưu ý khi dựng đường cong từ dữ liệu quét, cần cố gắng đảm bảo đồng thời hai yếu tố: mức độ liên tục hình học và độ khớp chính xác với dữ liệu gốc Đường cong mượt nhưng sai lệch nhiều cũng không đạt yêu cầu, do đó cần điều chỉnh CVs sao cho vừa liên tục vừa sát dữ liệu
4.3 Tạo hình các bề mặt chính
Sau khi đã tạo được các đường curve cơ sở, bước tiếp theo trong quy trình xây dựng Surface Class-A là tạo ra các bề mặt lớn, hay còn gọi là các mặt chính Đây là những vùng bề mặt chiếm phần lớn diện tích và giữ vai trò định hình tổng thể cho sản phẩm Dựa vào các đường curve cơ sở đã được xây dựng từ bước trước, tiến hành sử dụng các công cụ dựng surface trong phần mềm như Square, Rail, Profile, để tạo ra các bề mặt chính của mô hình (Hình 11)[11]
Hình 11 Bề mặt chính được tạo từ các đường cơ sở
Khi các bề mặt chính được tạo ra, chúng sẽ đóng vai trò định hình tổng thể cho sản phẩm, đảm bảo hình dáng, tỷ lệ và tính liên tục xuyên suốt mô hình Tuy nhiên, vẫn cần phải tinh chỉnh cẩn thận các điểm CVs sao cho bề mặt này sát tương đối với dữ liệu gốc, đồng thời đạt được chất lượng thẩm mỹ cao Dùng các công cụ như Deviation Map Tool,
Trang 10Zebra Analysis để kiểm tra độ mượt (hình 12), tính liên tục và phát hiện các lỗi hình học như gợn sóng, vết gấp, điểm lõm bất thường
Hình 12 Mức độ mượt được kiểm tra bằng Zebra Analysis (bên trái) và độ bám
dữ liệu bằng Deviation Map
4.4 Tạo các bề mặt chuyển tiếp
Các bề mặt chuyển tiếp đóng vai trò nối liền các mặt, bảo đảm sự liền lạc và hoàn thiện tổng thể cho mô hình bề mặt, ưu tiên cao nhất là đạt liên tục G2 tại các vùng chuyển tiếp Ở bước này, công cụ Align được sử dụng nhiều, việc căn chỉnh có thể cần được thực hiện lặp đi lặp lại nhiều lần tại các mép nối nhằm điều chỉnh chính xác các điểm điều khiển (CVs) và hình học tiếp xúc, từ đó đạt được mức liên tục hình học G2 tại các vùng chuyển tiếp Có thể thấy dõ được được tính liên tục qua các Hình 13-15, tương ứng các mức G0, G1, G2:
Hình 13 Hình minh họa độ liên tục G0 giữa hai bề mặt (trái), và phản xạ ánh
sáng kiểm tra bằng zebra (phải)
Đứt khúc
