Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật ngược trong thiết kế và kiểm tra các sản

Ngày nay, rất nhiều công ty đã sử dụng công nghệ scan 3D thay cho các kỹ thuật kiểm tra truyền thống để đo kiểm các bề mặt chi tiết cong phức tạp, bề mặt tự do Do vậy, tìm hiểu về các t

MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT NGƯỢC 3

1.1 Giới thiệu về kỹ thuật ngược 3

1.2 Phạm vi ứng dụng của kỹ thuật ngược 5

1.3 Ưu nhược điểm của kỹ thuật ngược 5

1.4 Các giai đoạn của kỹ thuật ngược 6

KẾT LUẬN 7

CHƯƠNG II : CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO, QUÉT DỮ LIỆU VÀ MÁY SCAN 3D 8

2.1 Phương pháp đo tiếp xúc 8

2.2 Phương pháp đo không tiếp xúc 9

2.3 Máy quét mẫu 3D laser 9

2.3.1 Giới thiệu chung về máy Scan Laser 9

2.3.2 Phạm vi ứng dụng 12

2.3.3 Ưu, nhược điểm của máy quét hình Scan laser 12

2.4 Tìm hiểu và sử dụng các chức năng cơ bản của máy Scan 3D ViVid 9i 13

2.4.1 Các thiết bị của máy Scan 3D Vivid - 9i 13

2.4.2 Các bước tiến hành kết nối 16

2.4.3 Thao tác cơ bản khi sử dụng máy Scan ViVid 9i 17

KẾT LUẬN 21

CHƯƠNG III: PHẦN MỀM THIẾT KẾ NGƯỢC RAPIDFORM XOR 22

3.1 Giới thiệu chung về phần mềm Rapidform XOR 22

3.2 Các lệnh hiển thị trên phần mềm Rapidform XOR3 23

3.3 Các chế độ của phần mềm Rapidform XOR 29

3.3.1 Chế độ Mesh 29

3.3.2 Chế độ Region Group: 36

3.3.3 Chế độ Mesh Sketch 36

3.3.4 Chế độ Sketch: 37

3.3.5 Chế độ 3D Mesh Sketch: 37

3.3.6 Chế độ 3D Sketch: 38

3.4 Chế độ làm việc chung: 39

KẾT LUẬN 42

CHƯƠNG IV: PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC HÌNH HỌC CÁC BỀ MẶT TỰ DO 43

4.1 Giới thiệu bề mặt tự do 43

4.2 Phương pháp kiểm tra đánh giá trong kỹ thuật ngược 44

4.3 Quy trình đo kiểm sản phẩm trên phần mềm Geomagic 46

KẾT LUẬN 48

CHƯƠNG V : THỰC NGHIỆM ỨNG DỤNG KỸ THUẬT NGƯỢC TRONG THIẾT KẾ VÀ KIỂM TRA MẪU CÁNH QUẠT CHIP MÁY TÍNH 49

5.1 Thiết kế lại mẫu bằng phần mềm Rapiform 49

5.1.1 Quét mẫu 49

5.1.2 Thiết kế lại sử dụng phần mềm Rapidform 50

5.2 Gia công chế tạo mẫu 57

5.3 Kiểm tra độ chính xác gia công bằng phần mềm Geomagic 84

KẾT LUẬN 86

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: So sánh kỹ thuật thuận và kỹ thuật ngược 3

Hình 1.2: Sơ đồ các giai đoạn của kỹ thuật ngược 6

Hình 2.1: Máy đo và đầu đo dùng trong phương pháp đo tiếp xúc 8

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý máy scan 3D 10

Hình 2.3 Nguyên lý làm việc máy scan 3D 11

Hình 2.4 Hình ảnh một số máy quét laser 11

Hình 2.5 Sơ đồ cấu hình hệ thống máy scan 3D Vivid 9i 14

Hình 2.6 Mô hình phần trước của thân máy 15

Hình 2.7 Mô hình phần sau của thân máy 15

Hình 2.8 Bảng điều khiển máy scan Vivid 9i 16

Hình 2.9 Sơ đồ kết nối điện 17

Hình 2.10 Sơ đồ tháo các nắp chắn tia laser 18

Hình 2.11 Thanh menu của máy scan Vivid 9i 18

Hình 2.12 Cài đặt chế độ quét 18

Hình 2.13 Kết nối phần mềm rapidform với máy scan 19

Hình 2.14 Thiết lập kết nối với bàn xoay model: chọn một bàn xoay muốn kết nối 20

Hình 3.1 So sánh thời gian thiết kế mô hình giữa các nhóm phầm mềm 23

Hình 3.2 Bảng feature trên cây thư mục free 24

Hình 3.3 Menu phụ cây thư mục tree 25

Hình 3.5 Menu phụ trên model 26

Hình 3.6 Bảng display 27

Hình 3.7 Đơn giản hóa khi xoay mô hình 28

Hình 3.8 Hiển thị ràng buộc sketch 28

Hình 3.9 Hiển thị các điểm nút trên spline 28

Hình 3.10 Hình ảnh 6 chế độ của phần mềm rapidform xor 29

Hình 3.11 Chế độ mesh 29

Hình 3.12 Các công cụ trong chế độ mesh 29

Hình 3.13 Lệnh fill holes 30

Hình 3.14 Sử dụng add bridge 30

Hình 3.15 Bảng chọn decimate 31

Hình 3.16 Chỉnh đường biên của mô hình 31

Hình 3.17 Chỉnh mật độ lưới tam giác 31

Hình 3.18 Tùy chọn optimize mesh 32

Hình 3.19 Điều chỉnh độ mịn của lưới tam giác 32

Hình 3.20 Các mức độ hiệu chỉnh sharpaness 32

Hình 3.21 Các mức độ hiệu chỉnh overall smoothness 33

Hình 3.22 Hiện thị các bề mặt bị lỗi 33

Hình 3.23 Bề mặt với 2 cạnh hở 34

hình 3.24 Bề mặt với 3 cạnh hở 34

Hình 3.25 Bề mặt bị lỗi dạng đường hầm 34

Hình 3.26 Phân vùng lại các bề mặt lỗi 34

Hình 3.27 Minh họa điền tự động các vùng bị thiếu 35

Hình 3.28 Điểu chỉnh thanh mức độ mịn 35

Hình 3.29 Hiệu chỉnh mật độ lưới tam giác 35

Hình 3.30 Minh họa giao mặt phẳng và đám mây điểm 36

Hình 3.31 Các lựa chọn spline trên đám mây điểm 38

Hình 3.32 Các lệnh trong chế độ làm việc chung 39

Hình 3.33 Mặt phẳng tham chiếu 39

Hình 3.34 Bảng chọn select filter 39

Hình 3.35 Align dữ liệu đám mây điểm 40

Hình 3.36 Lệnh với mô hình dạng solid 41

Hình 3.37 Lệnh với mô hình dạng surface 41

Hình 4.1 Sơ đồ vòng tròn các vùng bề mặt trơn, liên tục của bề mặt tự do 44

Hình 4.2 Quy trình kiểm tra đánh giá trong kỹ thuật ngược 45

Hình 4.3 Kết quả so sánh trên phần mềm geomagic 47

Hình 5.1 Cánh quạt chíp trong máy tính 49

Hình5.2 Máy scan 3D vivid 9i 50

Hình 5.3 Tạo vector cánh quạt 51

Hình 5.4 Sketch biên dạng phần bầu quạt 52

Hình 5.5 Lệnh revolve tạo phần bầu quạt 52

Hình 5.6 Xây dựng bầu cánh quạt từ sketch 53

Hình 5.7 Dùng lệnh surfaceloft tạo cánh quạt 53

Hình 5.8 Dùng lệnh meshfit tạo cánh quạt 54

Hình 5.9 Xây dựng biên dạng bao quanh cánh quạt 54

Hình 5.10 Mô hình 1 cánh quạt 55

Hình 5.11 dùng lệnh pattem 55

Hình 5.12 Bảng so sánh mô hình thiết kế và đám mây điểm 56

Hình 5.13 Mẫu thiết kế bằng phần mềm rapidform xor 57

Hình 5.14 Stock setup cánh quạt 58

Hình 5.15 Phôi gia công 58

Hình 5.16 2D toolpaths - facing 59

Hình 5.17 Chain manager - facing 59

Hình 5.18 Define tool - face mill 60

Hình 5.19 Cut parameters 61

Hình 5.20 Depth cuts 61

Hình 5.21 Linking parameters 62

Hình 5.22 Planes wcs 63

Hình 5.23 Coolant - facing 63

Hình 5.24 Đường chạy dao mô ph ng - facing 64

Hình 5.25 2D toolpaths – contour 64

Hình 5.26 Chain manager – contour 65

Hình 5.27 Define tool – contour 66

Hình 5.28 Đường chạy dao mô ph ng – contour 67

Hình 5.29 Surface rough – parallel 67

Hình 5.30 Drive- surface rough parallel 68

Hình 5.31 Check- surface rough parallel 69

Hình 5.32 Define tool - surface rough parallel 69

Hình 5.33 Planes - surface rough parallel 70

Hình 5.34 Surface parameters - surface rough parallel 70

Hình 5.35 Rough parallel parameters - surface rough parallel 71

Hình 5.36 Cuts depths - surface rough parallel 71

Hình 5.37 Đường chạy dao gia công thô mặt 72

Hình 5.38 Surface finish contour 72

Hình 5.39 Drive - surface finish contour 73

Hình 5.40 Containment - surface finish contour 74

Hình 5.41 Define tool - surface finish contour 75

Hình 5.42 Surface parameters - surface finish contour 76

Hình 5.43 Finish contour parameters - surface finish contour 77

Hình 5.44 Đường chạy dao contour cánh quạt 78

Hình 5.45 Surface finish radial 78

Hình 5.46 Drive - surface finish radial 79

Hình 5.47 Check - surface finish radial 79

Hình 5.48 Define tool - surface finish radial 80

Hình 5.49 Đường chạy dao mặt cánh 81

Hình 5.50 Đường chạy dao mô ph ng cánh quạt 81

Hình.5.51 Post processing cánh quạt 82

Hình 5.52 Chương trình gia công NC 83

Hình 5.53 Mẫu gia công bề mặt cánh quạt chip máy tính 83

Hình 5.54 Tách biên cánh quạt từ đám mây điểm 84

Hình 5.55 Tách biên dạng surface của một cánh quạt 85

Hình 5.56 Kết quả so sánh trên phần mềm Geomagic 86

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa

được ai công bố trong bất kỳ một công trình khác, trừ những phần tham khảo được ghi rõ trong luận văn

Tác giả

Phạm Văn Huân

Mặc dù bản thân đã thực sự cố gắng trong quá trình thực hiện đề tài, nhưng chắc chắn sẽ không tránh kh i có những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được những góp ý đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Tác giả luận văn

Phạm Văn Huân

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

RE (Reverse Engineering : Kỹ thuật ngược

PC (Point Cloud : Đám mây điểm

Scan: Quét, số hóa bề mặt

Surface: Bề mặt

Solid: Khối rắn

CMM: Coordinate Measuring Machine

Freeform Surface: Bề mặt tự do

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay để nâng cao năng suất, độ chính xác chế tạo và đơn giản hóa quy trình công nghệ, giải pháp công nghệ kỹ thuật ngược ngày càng được sử dụng rộng rãi tại các nước phát triển trên thế giới và đang dần dần được các công ty trong nước tin tưởng áp dụng

Kỹ thuật ngược Reverse engineering như là một trong những giải pháp kỹ thuật mang lại hiệu quả kinh tế cao, rút ngắn quá trình phát triển sản phẩm

Bên cạnh đó, quản lý chất lượng sản phẩm là một bộ phận quan trọng trong quy trình sản xuất ngày nay Việc đảm bảo sản phẩm sản xuất đúng như ý tưởng của người thiết kế và đạt được các kích thước theo yêu cầu kỹ thuật là một thách thức của cả quá trình sản xuất Ngày nay, rất nhiều công ty đã sử dụng công nghệ scan 3D thay cho các kỹ thuật kiểm tra truyền thống để đo kiểm các bề mặt chi tiết cong phức tạp, bề mặt tự do

Do vậy, tìm hiểu về các thiết bị và các phần mềm ứng dụng hiện đại trong trường

là một trong những vấn đề cấp thiết cho học viên chúng em để có thể đáp ứng được các nhu cầu thực thế sản xuất

Với sự tận tình giúp đỡ và định hướng nghiên cứu của TS Bùi Ngọc Tuyên, tác

giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật ngược trong thiết kế và kiểm tra

các sản phẩm cơ khí cấu thành từ các bề mặt tự do”

2 Mục tiêu thực hiện đề tài

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu chủ yếu của đề tài là:

- Làm chủ được các chức năng trong phần mềm Rapidform XOR, thiết kế được các

mô hình sản phẩm trong thực tế

- Tìm hiểu máy quét 3D

- Tìm hiểu quy trình quét mẫu và thiết kế mô hình với kỹ thuật ngược

- Tìm hiểu quy trình kiểm tra sản phẩm cơ khí cấu thành từ các bề mặt tự do

3 Đối tượng nghiên cứu

- Tìm hiểu về kỹ thuật ngược trong thiết kế và kiểm tra sản phẩm cơ khí cấu thành

từ các bề mặt tự do

- Máy quét 3D ViVid 9i

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu khai thác phần mềm Rapidform XOR vận dụng kỹ năng sử dụng phần mềm, tìm hiểu cách sử dụng máy quét ViVid 9i, tìm hiểu phương pháp đánh giá độ chính xác hình học các bề mặt tự do kết hợp với lý thuyết chuyên nghành Chế tạo máy để thiết kế và lập trình gia công trên máy phay CNC

Thực nghiệm thiết kế lại chi tiết quạt chip trong case máy tính và với máy quét laser kiểm tra độ chính xác gia công

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

- Nâng cao khả năng mô hình hóa, thiết kế lại bằng phần mềm Rapidform XOR

- Kỹ thuật ngược dùng kiểm tra chất lượng chế tạo sản phẩm với các chi tiết cơ khí cấu thành từ các bề mặt tự do như: cánh quạt, cánh turbine… rất khó có thể kiểm tra bằng các dụng cụ thông thường như thước cặp, thước đo góc… Việc ứng dụng máy quét và phần mềm kỹ thuật ngược là một giải pháp thích hợp để kiểm tra sản phẩm một cách nhanh chóng và hiệu quả

- Ứng dụng kỹ thuật ngược trong lĩnh vực cơ khí mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật to lớn, rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT NGƯỢC

1.1 Giới thiệu về kỹ thuật ngược

Từ những năm 1990, kỹ thuật thiết kế ngược đã được nghiên cứu áp dụng trong

lĩnh vực phát triển sản phẩm, đặc biệt là lĩnh vực thiết kế các mô hình 3D từ mô hình đã có với sự trợ giúp của máy tính Kỹ thuật thiết kế ngược ngày càng được phát triển theo sự phát triển của máy quét hình, máy đo 3 chiều và các phần mềm CAD/CAM

Có thể so sánh hai quá trình kỹ thuật ngược và kỹ thuật thuận như sau:

Hình 1.1: So sánh kỹ thuật thuận và kỹ thuật ngược

Bản chất của kỹ thuật ngược này là sử dụng các thiết bị quét 3D kết hợp với phần mềm thích hợp để tái tạo lại bản vẽ thiết kế dưới dạng số hóa của một số sản phẩm

có sẵn để tối ưu hóa dữ liệu, xây dựng chỉnh sửa mô hình CAD và sử dụng dữ liệu CAD đó để chế tạo ra bản sao bằng gia công CNC, tạo mẫu nhanh…

Trong công nghệ gia công truyền thống, để chế tạo ra sản phẩm từ ý tưởng hoặc nhu cầu sản xuất, người ta thiết kế mô hình CAD, phác thảo sản phẩm, tính toán thiết kế, chế thử, đưa ra phương án tối ưu, rồi gia công trên máy công cụ

Trong vài chục năm gần đây, xuất hiện dạng sản xuất theo chu trình mới, chế tạo sản phẩm theo sản phẩm có sẵn, nhiều khi người ta cần chế tạo ra các mẫu có sẵn

mà chưa hoặc không có mô hình CAD tương ứng như một số loại sản phẩm:

- Các sản phẩm đồ cổ

- Những chi tiết đã ngừng sản xuất từ lâu

- Những chi tiết không rõ xuất xứ, tài liệu thiết kế của sản phẩm gốc không còn

- Những tác phẩm điêu khắc

- Những chi tiết phức tạp

- Các bộ phận cơ thể con người và động vật dùng trong kỹ thuật cấy ghép

Để tạo được mẫu của những sản phẩm này, trước đây người ta đo đạc trực tiếp từ sản phẩm rồi vẽ phác lại hoặc dùng sáp, thạch cao để in mẫu Các phương pháp này cho độ chính xác không cao, tốn nhiều thời gian và công sức, đặc biệt là những chi tiết phức tạp

Ngày nay người ta đã sử dụng máy đo 3 chiều CMM hoặc máy quét hình để quét hình dáng của những chi tiết Sau khi quét hình đều cho dữ liệu là đám mây điểm, nhờ phần mềm CAD/CAM chuyên dụng để xử lý dữ liệu quét và phải chuyển sang dạng lưới tam giác để xây dựng mô hình bề mặt, và cuối cùng tạo ra được mô hình CAD 3D dưới dạng khối Solid hoặc dạng bề mặt Surface với độ chính xác cao

Mô hình 3D này có thể chỉnh sửa lại kết cầu theo ý muốn nếu cần

Ngoài việc chế tạo các chi tiết khác nhau, kỹ thuật ngược còn có một số ứng dụng sau đây:

- Kỹ thuật ngược còn được ứng dụng để kiểm tra chất lượng chế tạo sản phẩm bằng cách so sánh dữ liệu đo, số hóa bề mặt sản phẩm chế tạo với mô hình CAD thiết kế Với các chi tiết cơ khí cấu thành từ các bề mặt tự do như: cánh quạt, cánh turbine…

rất khó có thể kiểm tra bằng các dụng cụ thông thường như thước cặp, thước đo góc… Việc ứng dụng máy quét và phần mềm kỹ thuật ngược là một giải pháp thích hợp để kiểm tra sản phẩm một cách nhanh chóng và hiệu quả

- Mô hình CAD được sử dụng như mô hình trung gian trong quá trình thiết kế bằng cách tạo sản phẩm thủ công trên đất sét, thạch cao, sáp…rồi sau đó quét hình để tạo thành mô hình CAD, mô hình này có thể thiết kế chỉnh sửa theo ý muốn

Như vậy, công nghệ kỹ thuật ngược tạo ra các mẫu sản phẩm cho trước, có thể tạo

ra một cách nguyên vẹn hoặc phát triển từ sản phẩm ban đầu

1.2 Phạm vi ứng dụng của kỹ thuật ngƣợc

Hiện nay đã có rất nhiều các doanh nghiệp đã ứng dụng thành công hướng sản xuất này Đặc biệt điển hình là nước Trung Quốc, với rất nhiều sản phẩm mẫu mã sản xuất với hình dáng sao chép từ các mẫu: xe máy, ô tô, đồ gia dụng… có sẵn trên các thị trường

Kỹ thuật ngược được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều các lĩnh vực như

- Lĩnh vực cơ khí: thiết kế sản xuất ra sản phẩm cơ khí từ các sản phẩm cơ khí cho trước

- Lĩnh vực y học với các thiết bị y tế như: chân tay giả…cho người khuyết tật

- Lĩnh vực xây dựng: các kiểu kiến trúc nhà cần sửa lại, một số chi tiết hoa văn cần phải quét và dựng lại

- Lĩnh vực nghệ thuật: với nhu cầu chế tạo các sản phẩm điêu khắc…

1.3 Ƣu nhƣợc điểm của kỹ thuật ngƣợc

* Ƣu điểm

- Rút ngắn được thời gian chế tạo, mang lại năng suất cao trong sản xuất

- Từ mô hình CAD từ công nghệ này, có thế chỉnh sửa, thiết kế theo ý muốn một cách linh hoạt, mà trước đây chúng ta cần phải tạo mô hình mẫu thử từ đất sét, thạch cao…

- Có thể kiểm tra nhanh chóng chất lượng sản phẩm thông qua mô hình CAD ban đầu và máy Scan

- Dễ dàng tái tạo lại nhiều mô hình mà không cần có bản vẽ CAD

* Nhƣợc điểm

- Giá thành quét mẫu và thiết kế cao

- Thiết bị máy quét với giá thành cao

1.4 Các giai đoạn của kỹ thuật ngƣợc

Kỹ thuật ngược được chia làm 2 giai đoạn

- Giai đoạn thu nhận dữ liệu

- Giai đoạn xử lý, ứng dụng dữ liệu

Quá trình thực hiện có thể tổng quát bằng sơ đồ sau:

Hình 1.2: Sơ đồ các giai đoạn của kỹ thuật ngược

* Giai đoạn thu nhận dữ liệu ( giai đoạn dùng máy quét hình )

Dùng máy chuyên dùng hoặc sử dụng chức năng đo trên máy công cụ CNC Có thể dùng máy quét dạng tiếp xúc hoặc máy quét không tiếp xúc

* Giai đoạn xử lý ứng dụng dữ liệu:

- Xử lý điểm: Thông thường được thực hiện một cách tự động trên phần mềm hỗ trợ thiết kế ngược Tiếp theo cần loại b các dữ liệu không cần quan tâm như các vùng không cần thiết, các vùng dữ liệu tạp chất bị nhiễu do quá trình quét chế độ ánh sáng, các thiết bị gá đặt chi tiết … Các vùng gối đè lên nhau sẽ có những điểm cần loại b

- Loại b các điểm không cần thiết: Việc này giúp làm giảm dung lượng của tệp tin

dữ liệu, làm giảm mật độ điểm trên đám mây điểm Các tập điểm cần thiết để định nghĩa bề mặt vẫn được tồn tại

- Xây dựng đám mây điểm thành dạng lưới tam giác: Một mạng lưới tam giác được tạo ra giữa các điểm Nếu hiện thị dạng đám mây điểm thì sẽ khó hình dung về cấu trúc vật thể Dạng lưới tam giác hiện thị một cách rõ ràng cấu trúc vật thể, hỗ trợ cho thao tác trên phần mềm thiết kế

KẾT LUẬN

Trong chương này, tác giả đã trình bài tổng quan chung của kỹ thuật ngược; ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của kỹ thuật ngược Bên cạnh đó tác giả trình bày quy trình của kỹ thuật ngược gồm 2 giai đoạn chính: giai đoạn thu nhận dữ liệu và giai đoạn xử lý dữ liệu Chương này là cơ sở để thực hiện nghiên cứu các chương tiếp theo

CHƯƠNG II

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO, QUÉT DỮ LIỆU VÀ MÁY SCAN 3D

Căn cứ vào phương pháp đo dữ liệu, phân loại thành 2 phương pháp đo:

- Phương pháp đo tiếp xúc

- Phương pháp đo không tiếp xúc

2.1 Phương pháp đo tiếp xúc

Phương pháp đo tiếp xúc: dùng đầu đo, tiếp xúc trực tiếp với bề mặt của chi tiết Với các vị trí tiếp xúc đã lập trình trước hoặc điều khiển bằng tay và được liên tục ghi lại các vị trí tọa độ nhận được

Đây là phương pháp đo các thông số theo phương pháp tọa độ và dùng các máy đo tọa độ 3 chiều CMM_ Coordinate Mesuring Machine

Máy đo toạ độ thường là các máy đo các 3 phương chuyển vị đo X, Y, Z Cấu hình vật lý của máy đo CMM kiểu tiếp xúc khá đa dạng nhưng chúng đều có điểm chung

là cung cấp các chuyển động tương đối cho đầu đo theo 3 trục đối với chi tiết

Có hai loại máy đo dạng này:

+ Máy đo với đầu đo được chỉ dẫn bằng tay

Loại máy được dẫn động bằng tay vận hành đơn giản, nhẹ nhàng nhờ dùng dẫn trượt bi, tuy nhiên loại này có độ chính xác thấp hơn

+ Máy đo với đầu đo được lập trình bằng chương trình số

Máy đo tọa độ CMM Đầu đo bằng tay Đầu đo CNC

Hình 2.1: Máy đo và đầu đo dùng trong phương pháp đo tiếp xúc

* Ưu điểm:

- Độ chính xác đo khá cao, độ chính xác 0.1 micromet _ 0.5 micromet

- Sử dụng đầu đo linh hoạt, phù hợp với các chi tiết cần đo

- Kết quả đo thuận lợi cho quá trình thiết kế các bề mặt chi tiết, do kết quả đo có hướng và là tập hợp lên các đương curve

* Nhược điểm:

- Tốc độ đo không cao: quá trình đo tốn nhiều thời gian đối với các chi tiết có bề mặt phức tạp Tốc độ đo khoảng 10 – 1000 điểm/ phút, chậm hơn rất nhiều so với công nghệ đo không tiếp xúc

- Phương pháp này dùng đầu đo, do đó với các vị trí rãnh hẹp hơn bán kính đầu đo, hoặc các cạnh sắc của chi tiết thì phương pháp này gặp khó khăn và kết quả không chính xác

2.2 Phương pháp đo không tiếp xúc

Trong phương pháp này, thiết bị đo sử dụng các tia quang học, âm thanh hay từ trường để thu nhận dữ liệu Phương pháp này thu nhận dữ liệu bằng các vùng dữ liệu Trong khi phương pháp đo tiếp xúc thu nhận dữ liệu theo từng dòng điểm và thậm chí là thu nhận một điểm trong một lần quét

Phương pháp này có thể sử dụng ở phạm vi rộng nhất và quá trình thu nhận dữ liệu nhanh nhất Ánh sáng sử dụng có thể là một nguồn ánh sáng năng lượng cao hay một laser để thu nhận dữ liệu bề mặt Quá trình thu nhận dữ liệu của phương pháp này diễn ra khi có sự tiếp xúc giữa đối tượng và tia dùng để quét ánh sáng, tia laser,…

* Ưu điểm:

- Thời gian hoàn thiện quá trình quét mẫu nhanh

- Không ảnh hưởng đến vật mẫu cần đo, ví dụ như vật mẫu làm bằng các chất liệu mềm, đảm bảo được tính toàn vẹn của mẫu quét

* Nhược điểm:

Phương pháp này có giá thành cao, do thiết bị máy móc hiện đại

2.3 Máy quét mẫu 3D laser

2.3.1 Giới thiệu chung về máy Scan Laser

Đây là một trong các thiết bị đo không tiếp xúc sử dụng tia công nghệ Scan laser Trong quá trình đo máy sử dụng chùm ánh sáng Laser chiếu vào bề mặt của chi tiết cần đo, chùm tia sáng được phản xạ lại từ bề mặt chi tiết được cảm ứng đo thu lại đưa vào bộ phận biến đổi của máy đo và với sự hỗ trợ của máy tính và phần mềm điều khiển đo cho ra kết quả của chi tiết đo dưới dạng đám mây điểm

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất máy Scan Laser như: Faro Arm, Metris, Konika… Mỗi hãng có phần mềm Scan khác nhau, đưa ra độ chính xác khác nhau và sử dụng tia sáng Laser có bước sóng khác nhau như Konika sử dụng ánh sáng Laser cấp I còn Faro Arm lại sử dụng ánh sáng Laser cấp II Độ an toàn của laser được xếp từ I đến IV Với cấp I, tia laser tương đối an toàn Với cấp IV, thậm chí chùm tia phân kỳ có thể làm h ng mắt hay b ng da … Nhưng về nguyên lí

cơ bản đều giống nhau

3.Cảm biến CCD Charge Couple Device : Có nhiệm vụ thu nhận tia laser được phản xạ từ bề mặt chi tiết trên cơ sở so sánh các góc lệch giữa chúng và đưa ra tín hiệu điện khác nhau

4.Xử lí của phần mềm máy tính: Máy tính với sự hỗ trợ của phần mềm máy tính

có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu điện từ CCD gửi tới và xử lí tín hiệu đó để đưa ra kết quả là đám mây điểm

Hình 2.3 Nguyên lý làm việc máy Scan 3D

5.Chỉ thị: Đưa ra kết quả đo chi tiết được xử lí từ máy tính là đám mây điểm Thực chất về nguyên lý của scan laser giống như quá trình chụp ảnh thông thường, nhưng chụp ảnh của scan laser là quá trình chụp ảnh các vật thể ở dạng ảnh

3 chiều trong khi đó nếu là chụp ảnh thông thường thì chỉ là ảnh 2 chiều Scan laser

sử dụng cảm biến Laser và gán vào một hệ thống máy đo, hệ thống này được định

vị và được kiểm soát bằng máy tính, các máy đo dùng trong scan laser là các máy

đo có thể được gán với máy CNC từ 3 đến 5 trục có kích thước tương đối lớn kết cấu khá vững chắc hoặc có thể là mô hình máy xách tay rất nh gọn

Đầu quét 3D lắp trên máy

Vật cần đo được đặt trực tiếp trên bàn hoặc được treo cố định hoặc cũng có thể có

vị trí bất kỳ trong không gian như các tượng đài, nhà cửa… mà không phải gá đặt phức tạp như các loại máy đo CMM thông thường máy đo có tiếp xúc , đây là một lợi thế nổi trội của scan laser Với sự hỗ trợ của phần mềm kiểm soát quét sẽ lái cảm biến laser lướt trên bề mặt của vật cần quét, bộ phận định vị 3D nằm trên bề mặt của

bộ cảm biến sẽ ghi lại các tín hiệu phản hồi được đưa ra bởi hệ thống quét theo góc phản xạ của chùm ánh sáng được bề mặt của chi tiết phản xạ lại và tín hiệu này được so sánh với tham số mẫu từ đó đưa ra cho ta kết quả đo là đám mây điểm

2.3.2 Phạm vi ứng dụng

Máy quét 3D là thiết bị di động có khả năng quét được nhiều bề mặt khác nhau Người sử dụng dễ dàng thay đổi thể tích đo để tăng độ phân giải của dữ liệu quét hoặc tăng khả năng đo của hệ thống Nhờ tính linh hoạt này, có thể quét được những sản phẩm nh như các chi tiết khuôn mẫu hay sản phẩm lớn như tổng thể một chiếc máy bay, ô tô

+ Các sản phẩm nh

Dữ liệu scan có độ phân giải rất cao cho phép đo chính xác kể cả chi tiết rất nh Mặt dưới của sản phẩm không phải là vấn đề lớn, bởi vì phần mềm có tính năng ghép nối nhiều phần dữ liệu của sản phẩm để có được dữ liệu trọn vẹn của sản phẩm

+ Các sản phẩm lớn

Khi đo các sản phẩm lớn, máy Scan được đặt trên giá đỡ di động hoặc gắn trên tay

rô bốt để dễ dàng di chuyển trong toàn bộ không gian đo

2.3.3 Ƣu, nhƣợc điểm của máy quét hình Scan laser

* Ƣu điểm:

- Kết cấu nh gọn: Máy Scan laser kết cấu nh gọn hơn nhiều so với máy đo CMM

có thể có mô hình xách tay như hình trên

- Gá đặt đơn giản: Khi Scan laser thì chi tiết cần Scan không cần phải gá đặt cầu kì

mà có thể được đặt trên bàn hoặc có một vị trí bất kì trong không gian vì khi đo

dụng cụ đo không tiếp xúc vào vật đo hơn nữa máy đo tự điều chỉnh tiêu cự của thấu kính cho phù hợp với khoảng cách thay đổi tương đối giữa máy đo và vật được

- Quét được nhiều kích thước sản phẩm khác nhau như toà nhà, tượng đài…

- Có thể quét được các mẫu dạng mềm như xà phòng, đất nặn…

- Có thể kiểm tra các bề mặt và so sánh với các điểm

* Nhƣợc điểm:

- Trước khi đo những bề mặt có mầu không phản quang ví dụ màu Đen phải sơn lại màu cho chi tiết đo nên có thể làm ảnh hưởng đến những chi tiết mẫu có yêu cầu cao thẩm mĩ về mầu sắc

- Mặc dù được sử dụng rất nhiều cho các ứng dụng đo, kiểm tra nhưng scan Laser không thể đo chính xác từng micromet như máy đo CMM

2.4 Tìm hiểu và sử dụng các chức năng cơ bản của máy Scan 3D ViVid 9i 2.4.1 Các thiết bị của máy Scan 3D Vivid - 9i

Máy Scan 3D ViVid 9i là một trong các thiết bị đo không tiếp xúc, sử dụng tia công nghệ scan laser của hãng Konica Minolta

Đặc tính kỹ thuật của máy Scan 3D ViVid 9i như sau:

Khoảng cách tới đối tượng 0.6 m – 2.5 m

Phạm vi quét: 0,6 - 1m trong chế độ tiêu chuẩn , 0,5 - 2,5m trong chế độ mở rộng

Độ chính xác 0.05 mm

Thời gian mỗi lần quét 2.5 giây

Thời gian chuyển đổi để lưu dữ liệu trên máy tính khoảng 1.5 giây

Số điểm khi quét mẫu 307000 points/2.5 giây

* Cấu hình hệ thống:

Hình 2.5 Sơ đồ cấu hình hệ thống máy Scan 3D ViVid 9i

1 Thân máy Scan 3D - Vivid 9i

Hình 2.6 Mô hình phần trước của thân máy

Hình 2.7 Mô hình phần sau của thân máy

* Chức năng bảng điều khiển:

Hình 2.8 Bảng điều khiển máy Scan ViVid 9i

1 AUTO FOCUS: điều chỉnh tiêu cự tự động

2 Điều chỉnh tiêu cự bằng tay xa và gần

3 MENU: Bấm một lần để hiển thị menu trên màn hình Bấm lần nữa để đóng menu và quay lại hình ảnh trên màn hình

4 CANCEL: Hủy b hoạt động hiện tại và quay trở lại mức trước đó

- Đặt công tắc ở chế độ OFF, nếu cắm dây nguồn khi công tắc nguồn ở chế độ ON

có thể gây tổn hại cho máy VIVID 9i hoặc ảnh hưởng đến dữ liệu máy tính

- Cắm một đầu cáp SCSI vào đầu cổng của máy Vivid 9i

- Cắm đầu kia của cáp vào đầu cổng kết nối của máy tính, trước khi bật máy tính, bật nguồn cho Vivid 9i và chờ nó sẵn sàng cho hoạt động

Hình 2.9 Sơ đồ kết nối điện

2.4.3 Thao tác cơ bản khi sử dụng máy Scan ViVid 9i

Hình 2.10 Sơ đồ tháo các nắp chắn tia laser

5 Cài đặt chế độ quét mẫu

- Bấm MENU,trên màn hình xuất hiện:

Hình 2.11 Thanh Menu của máy Scan ViVid 9i

- Điều chỉnh đến NITALMODE

Hình 2.12 Cài đặt chế độ quét

Xuất hiện các chế độ đã cài đặt sẵn để lựa chọn

+ Chế độ STANDARD: Cho phép khoảng cách từ 600mm – 1000 mm

+ Chế độ EXTENDED: Cho phép khoảng cách từ 500mm – 2500 mm

+ Chế độ USER: Cho phép khoảng cách từ 500- 4000 mm

+ Các cài đặt chi tiết khác kèm theo:

NUMBER OF SCAN: Thiết lập số lần sẽ quét

NOISE FILTER: Thiết lập ON, giúp lọc nhiễu khi quét

HIGHT QUALITY: Thiết lập ON, giúp lọc b các dữ liệu không đáng tin cậy, các vùng ánh sáng mờ trên mô hình sẽ không được hiển thị

6 Quy trình chung khi tiến hành quét mẫu

Bước 1: Đặt chi tiết lên bàn xoay, trước tầm ngắm của máy Scan ViVid 9i

Bước 2:Bật công tắc nguồn ON Sau vài chục giây khi màn hình máy quét xuất

hiện thông báo “PLEASE OPEN LASER BARRIER AND PRESS ANY KEY”, Ấn phím bất kỳ trên bảng điểu khiển để xác nhận sẵn sàng cho hoạt động và thiết lập chế độ quét phù hợp với vật mẫu

Bước 3: Khởi động phần mềm Rapidform XOR

Kết nối phần mềm Rapidform với máy: Insert/ Scanner Direct Control/ Konica Minolta VIVID màn hình hiển thị chi tiết cần quét

Hình 2.13 Kết nối phần mềm Rapidform với máy Scan

Bước 4 Cài đặt kết nối với bàn xoay

Hình 2.14 Thiết lập kết nối với bàn xoay

- Model: Chọn một bàn xoay muốn kết nối

- PORT: Chọn một cổng để giao tiếp với một bàn xoay

- Connect : Chọn vào Connect để bắt đầu để giao tiếp với một bàn xoay

- Disconnect: Chọn Disconnect nếu muốn dừng giao tiếp với một bàn xoay

- Auto Rotate: Nếu được chọn, một bàn quay được bật với góc quy định sau khi quét

- No of Scan: Số vòng quay của bàn xoay lần

- Total Angle: Cài đặt góc quét toàn bộ mẫu quét

- Equal Spacing: Nếu được chọn, quá trình quét được áp dụng với một góc bằng

nhau mà được quyết định bởi số lần quét và tổng góc

Bước 6: Lưu dữ liệu đã quét mẫu

Trên cây thư mục Model của phần mềm Rapidform, lưu dữ liệu theo đường dẫn : Model/ Meshes/ Export, chọn định dạng *stl cho file cần lưu

Bước 7: Kết thúc quá trình quét mẫu

- Thay đổi công tắc nguồn về vị trí OFF

ưu, nhược điểm của máy quét hình Scan laser Đồng thời tác giả tìm hiểu và sử dụng các chức năng cơ bản của máy Scan 3D ViVid 9i

CHƯƠNG III:

PHẦN MỀM THIẾT KẾ NGƯỢC RAPIDFORM XOR

3.1 Giới thiệu chung về phần mềm Rapidform XOR

Rapidform XOR là sản phẩm của công ty INUS với trụ sở chính đặt tại Seoul ,

Korea - là phần mềm thiết kế ngược , hỗ trợ người dùng tạo mô hình tham số 3D

thông qua việc xử lý dữ liệu từ các file quét 3D Quản lý mô hình tham số CAD với cây thư mục tham số “Feature tree” giúp người dùng tiện lợi trong việc thay đổi hoặc sửa chữa bất cứ lúc nào, ngoài ra Rapidform XOR còn hỗ trợ người dùng chuyển đổi định dạng file hoàn thành sang rất nhiều định dạng của phần mềm CAD khác , có thể kể đến một số phần mềm thông dụng hiện nay như Solidworks , Catia , ProE , NX , Autocad v.v…

Rapidform có khả năng nhập dữ liệu đầu vào là đám mây điểm, sử dụng các tính năng để tạo mô hình dạng surface hoặc solid Ngoài ra còn có chức năng kiểm tra

đánh giá độ lệnh của dữ liệu quét và mô hình thiết kế

Rapidform tái tạo ra mô hình CAD với tham số trực tiếp từ dữ liệu quét 3D và được tin tưởng sử dụng trong các công ty thiết kế chuyên nghiệp với các công cụ vượt trội để tạo mẫu và chỉnh sửa các dữ liệu 3D và là một trong những giải pháp công nghệ chính xác

Rapidform XOR là phần mềm dùng trong công nghệ tái tạo ngược, cung cấp các chức năng để mô hình hoá và tối ưu hoá các đa giác và tạo ra các tham số dạng CAD cơ sở từ dữ liệu quét 3D, cho kết quả nhanh chóng và chính xác và được sử dụng liên tục trong quá trình sản xuất

Theo thông tin kiểm tra khả năng thiết kế phần mềm Rapidform, thời gian thiết kế giữa phần mềm Rapidform XOR và nhóm phần mềm Geomagic, Rapidform XOV

và nhóm các phần mềm khác như: Solidwork, ProEngineer để thiết kế chi tiết như hình minh họa:

Hình 3.1 So sánh thời gian thiết kế mô hình giữa các nhóm phầm mềm

Như vậy, thời gian thiết kế ngược trên phần mềm Rapidform sẽ nhanh hơn rất nhiều so với thiết kế trên các nhóm phần mềm khác

3.2 Các lệnh hiển thị trên phần mềm Rapidform XOR3

+ Để ẩn các Plane, nhấp Ctrl _ 0 hoặc View/ Visibility/ Planes

+ Để xem lưới bóng mờ với đường khuôn mặt nhấp F8 trên bàn phím

+ Để không xem lưới bóng mờ chọn vào F7 trên bàn phím

+ Để xoay mô hình theo các mặt phẳng Plane tham chiếu như Front mặt chiếu đứng của đối tượng , Back nhìn từ sau của đối tượng , Left mặt chiếu cạnh của đối tượng , Right mặt chiếu nhìn từ bên phải , Top mặt chiếu bằng của đối tượng ,và Isometric nhìn phối cảnh 3D và khi đó có thể sử dụng tương ứng các phím tắt Alt+1, Alt+2, Alt+3, Alt+4, Alt+5, Alt+6 và Alt+7 hoặc chọn View/ Viewpoint/ Chọn biểu tượng Plane

+ Để chia màn hình hiện thị, chọn số khung hình cần hiển thị: Chọn View/Viewport/ Chọn số khung nhìn cần hiển thị

+ Bảng Feature trên cây thư mục Free

Hình 3.2.Bảng Feature trên cây thư mục Free

Hiển thị các tính năng được tạo ra trong ứng dụng Nếu nhấn chuột phải vào thực thể bất kỳ, menu phụ xuất hiện

Hình 3.3 Menu phụ cây thư mục Tree

- Edit: Chỉnh sửa dữ liệu dựa trên lựa chọn Ví dụ nếu chọn lưới và nhấp vào chỉnh sửa, có thể chỉnh sửa dữ liệu lưới

- Delete: Nếu được chọn, các tính năng tương ứng sẽ bị xóa

- Suppress: Ngăn chặn một tính năng để có thể làm việc trên mô hình với các tính năng được lựa chọn tạm thời ra kh i mô hình

- Rollback: chứa các tính năng tự tạo ra

- Hide: Nếu được chọn, những tính năng hiện tại sẽ được ẩn

- Zoom : Nếu được chọn, các thực thể được lựa chọn sẽ thu nh để phù hợp với màn hình

Các tính năng trong tab này được cập nhật bất cứ khi nào sử dụng các tính năng tương ứng trên mô hình

+ Bảng Model trên cây thư mục Free

Model: hiển thị các thực thể trong một trật tự cố định Mỗi thực thể được hiển thị dưới nhóm tương ứng trong Model

Có thể hiển thị hoặc ẩn các tính năng bằng cách cho phép hoặc vô hiệu hóa các thực thể trong Model

Hình 3.4 Bảng Model trên cây thư mục Free

Nếu nhấn chuột phải vào bất kỳ tính năng, menu phụ xuất hiện

Hình 3.5 Menu phụ trên Model

- Show this only: Nếu được chọn, chỉ có tính năng tương ứng sẽ được hiển thị trong cửa sổ Moden View

- Hide: Nếu được chọn, các tính năng tương ứng sẽ được ẩn

- Zoom to Section : Nếu được chọn, các thực thể được lựa chọn là thu nh để phù hợp với màn hình

- Delete: Nếu được chọn, các tính năng tương ứng sẽ bị xóa

- Export: Nếu được chọn, một hộp thoại xuất hiện và bạn có thể chỉ định đường dẫn

để xuất ra các file để thích hợp mở trên các phần mềm khác

- Properties: Nếu được chọn, các thông tin cụ thể sẽ được hiển thị ở phía bên tay phải

Hình 3.7 Đơn giản hóa khi xoay mô hình

- Sketch & 3D Sketch: Nếu được chọn, các hạn ràng buộc giữa các Sketch sẽ hiển thị

Hình 3.8 Hiển thị ràng buộc Sketch

- 3D Spline Node: Hiển thị các điểm nút trên đường Splines

Hình 3.9 Hiển thị các điểm nút trên Spline

3.3 Các chế độ của phần mềm Rapidform XOR

Phần mềm Rapidform XOR với 6 chế độ làm việc, mỗi chế độ với các cách thức hiệu chỉnh dữ liệu riêng

Hình 3.10 Hình ảnh 6 chế độ của phần mềm Rapidform XOR

3.3.1 Chế độ Mesh

Giúp hoàn thiện bề mặt của mô hình với các phần bị khuyết, và hoàn chỉnh của

dữ liệu dạng lưới bằng cách sử dụng một số công cụ như Heal Wizard, Fix Normal, Fill Holes Chế độ này giúp chỉnh sửa các biên dạng, tái tạo các lưới tam giác, tạo ra dữ liệu lưới hoàn chỉnh, tối ưu hóa lưới trước khi sử lý thành dạng solid, surface

Truy cập vào chế độ lưới, chọn Mesh trên bảng công cụ để vào chế độ Mesh

Hình 3.11 Chế độ Mesh

Có thể nhấn đúp chuột vào lưới trong View Model để vào chế độ lưới Hoặc nhấp đúp chuột vào tên mô hình trong bảng Tree để vào chế độ Mesh

+ Giới thiệu một số công cụ chỉnh sửa, hiệu chỉnh chất lượng lưới tam giác

Hình 3.12 Các công cụ trong chế độ Mesh

* Điền đầy các vùng lỗi:

Trong quá trình Scan dữ liệu, có thể một số khu vực bề mặt dữ liệu bị lỗi, bị che khuất và không được hiển thị, do vậy phần mềm rapidform có chức năng làm tái tạo, điền đầy các vùng bị lỗi đó, tạo thành dữ liệu hoàn chỉnh

- Nhấp vào Tools/ Mesh Tools/ Fill Holes

- Nhấp vào Don't Close Control để liên tục áp dụng các lệnh Fill Holes

- Nhấp vào nút Boundaries và chọn biên dạng vùng bị lỗi trên dữ liệu lưới tam giác tùy chọn Curvature làm bề mặt khi điền đầy được mịn và cùng biên độ cong với các vùng xung quanh

*Giảm số lƣợng tam giác:

Dữ liệu tam giác lưới được cấu tạo nên từ rất nhiều các tam giác nh , do vậy dẫn tới dung lượng của dữ liệu nặng hơn mong muốn và ảnh hưởng đến quá trình sử dụng phần mềm Do vậy cần làm giảm mật độ tam giác, để dữ liệu được nhẹ hơn trong quá trình thiết kế

Nhấp vào Tools / Mesh Tools / Decimate để giảm số lượng các hình tam giác mà không thay đổi hình dạng tổng thể của mô hình

Đặt Reduction Ratio (Tỷ lệ giảm đến 50% và chọn OK

Hình 3.15 Bảng chọn Decimate

* Hiệu chỉnh độ phẳng của đường ranh giới:

Chọn vào Tools/Mesh Tools/ Edit Boundaries để chỉnh sửa đường biên của mô hình

Trong cột Method chọn Fit và trong cột Fit Options đổi Fitting Shape sang Auto để

chuyển chế độ tự động và chọn ranh giới Điều chỉnh Smoothness trong phần More Options để điều chỉnh độ phẳng của đường ranh giới và nhấp vào nút OK

Hình 3.16 Chỉnh đường biên của mô hình

- Sắp xếp lại và tạo ra mật độ của lưới tam giác một cách đều đặn

Hình 3.17 Chỉnh mật độ lưới tam giác