Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị số hóa dữ liệu bề mặt vật thể kiểu tay Robot (LV thạc sĩ)

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

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

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

Trang 2

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

Trang 3

Trang 4

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

Trang 5

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!

Trang 6

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT

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

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU

5 Hình 1.5 Đường cong nội suy từ đa thức Lagrange 20

8 Hình 1.8 Đường cong Bezier ban đầu và khi thay đổi vị trí điểm

điều khiển

22

Trang 7

9 Hình 1.9 Đường cong Bezier nhiều phân đoạn 22

14 Hình 1.14 Minh họa phương pháp xây dựng mặt cong bằng cách

tổng hợp các đường sinh dọc và ngang

24

15 Hình 1.15 Minh họa phương pháp xây dựng mặt cong từ mạng

lưới 3 điểm gần nhau nhất

26 Hình 2.11 Gá đặt chi tiết cần đo lên thiết bị 33

28 Hình 2.13 Chương trình số hóa biên dạng vật thể 34

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

điểm

50

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

Trang 8

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

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

46 Hình 5.6 Dữ liệu đám mây điểm mở bằng file *.xyz 68

48 Hình 5.8 Biên dạng phóng đại biên dạng sau khi đo được 70

50 Hình 5.10 Biên dạng đã xử lý hoàn thiện với 1000 vòng lặp

(đường màu đỏ)

70

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

3 Sơ đồ 3.1 Sơ đồ HT công nghệ và chuyển đổi tọa độ giữa các

không gian

37

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

Trang 9

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

1 Bảng 4.4 Trích dữ liệu tính toán encoder của tay máy 52

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

Trang 10

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

Trang 11

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

Trang 12

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

Trang 13

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

Trang 14

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

Trang 15

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,

Trang 16

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

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

Sơ đồ 1.2 Quá trình sản xuất ngược

Yes Nhu cầu

Xử lý dữ liệu bằng CAD/CAM

Gia công

Trang 17

- 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

Trang 18

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

Trang 19

- 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

Trang 20

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)

Trang 21

Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng Sau đây ta sẽ xét các phương pháp đó để hiểu rõ bản chất của việc xây dựng đường cong, mặt cong

1.3.1 Phương pháp nội suy

1.3.1.1 Phương pháp nội suy theo đa thức Lagrange

Phương pháp này xây dựng đường cong từ các điểm, số điểm càng lớn thì độ chính xác càng cao nhưng đồng nghĩa với số bậc của đa thức lớn dẫn đến sự dao động về hình dạng đường cong Do đó bài toán này không phù hợp trong kỹ thuật

Hình 1.5 Đường cong nội suy từ đa thức Lagrange

1.3.1.2 Phương pháp nội suy đường cong tham số bậc 3 từng khúc (Hermite)

Hình 1.6 Đường cong Hermite

Đường cong tham số bậc 3 được bểu diễn bằng một đa thức bậc 3 với liên tục về vị trí và độ cong Các giá trị tham số t biến thiên từ 0 đến 1 trong mỗi phân đoạn

Phương trình đường cong như sau:

)1(')(

)0(')2()1()32()0()132

)0('

)1(

)0(

0001

0100

1233

11221)

a a a a t

t t t

Trang 22

Trong đó: a(0),a(1),a’(0),a(1) là các hệ số hình học

a(t) là một điểm trên đường cong

t là tham số biến thiên từ 0 đến 1 1.3.1.3 Phương pháp nội suy đường cong Spline bậc 3

- Để xây dựng đường cong này xuất phát từ ý tưởng uốn một thanh mỏng có độ dẻo cao Nếu điểm tựa để uốn càng nhiều thì sẽ được những đường cong có biên dạng phức tạp Loại đường cong này được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật, đặc biệt là các ứng dụng để sản xuất các loại phần mềm đồ họa hiện nay như AutoCAD, SolidWorks, Inventer, ProEngineer …

- Đường cong Spline được biểu diễn bởi một đa thức bậc 3 có đạo hàm bậc 2 tại điểm nối chung giữa các đoạn, nghĩa là liên tục vị trí, lên tục tiếp tuyến và liên tục

ra Do đó, phương pháp xấp xỉ ra đời giải quyết các bài toán khó về biên dạng phức tạp

- Trong các phần mềm CAD hện nay, tiêu chuẩn cao nhất là độ mịn của các đường công hay mặt cong Có nghĩa là người thiết kế phải chấp nhận không quan tâm đến chất lượng của phép nội suy Một điều quan trọng nữa là bất kỳ sự điều chỉnh nào chỉ mang tính cục bộ, do đó nếu chỉnh sửa cục bộ một vùng làm việc sẽ không ảnh hưởng đến hình dáng tổng thể của vật thể Điều đó tạo ra xu hướng mở trong thiết

A5 A4

A3 A2

A7

Trang 23

kế ngược, đó là cho phép sao chép mẫu có sẵn nhưng cũng có thể cho ra một mẫu mới dựa trên việc chỉnh sửa dữ liệu thu được

- Phương pháp biểu diễn đường cong xấp xỉ tạo ra đường cong trơn mịn xấp xỉ các điểm cho sẵn, chứ không đi qua chính xác tất cả các điểm đó Hai phương pháp xấp

xỉ thông dụng nhất hiện nay trong CAD là Bézier và B-spline

Trang 24

1.3.2.1 Xấp xỉ Bézier

- Xấp xỉ Bezier xuất hiện 2 khái niệm đó là các điểm điều khiển và đường điều khiển Các điểm điều khiên này là tọa độ các điểm mà đường cong muốn đi qua Các đường điều khiển là đường thẳng nối giữa 2 điểm điều khiển Cụ thể hóa như hình vẽ:

Hình 1.8 Đường cong Bezier ban đầu và khi thay đổi vị trí điểm điều khiển

- Trong đó A1,A2,A3,A4 là các điểm điều khiển Đoạn A1A2,A2A3,A3A4 là các đường điều khiển Đường cong A1A4 là đường cong xấp xỉ Bézier Điểm A’3 là điểu điều khiển khi thay đổi vị trí điểm A3 ứng với sự thay đổi đường cong xấp xỉ

“chấm-chấm”

Hình 1.9 Đường cong Bezier nhiều phân đoạn

Mặt cong Bézier cũng được biểu diễn như sau:

A’3

A1 A2

Trang 25

Hình 1.10 Biểu diễn mặt cong Bézier 1.3.2.2 Xấp xỉ B-spline

- Đối với đường cong hay mặt cong Bézier phụ thuộc vào điểm điều khiển, do đó nếu thay đổi điểm điều khiển sẽ làm thay đổi hình dạng của đường cong Để tránh

sự ảnh hưởng một cách tổng thể này, có đường cong Bézier thường được xây dựng bằng cách kết nối nhiều phân đoạn thấp hơn Điều này cho phép sự điều khiển cục

bộ mà không ảnh hưởng đến toàn bộ đường cong (hình 1.11)

- Đường cong B-spline cũng kế thừa việc điều khiển cục bộ tức là chỉ làm thay đổi các phân đoạn mà không làm thay đổi tổng thể đường cong Bậc của B-spline được thiết kế không phụ thuộc nhiều vào số lượng các điểm điều khiển, tức là không đi qua các điểm điều khiển (hay chỉ đi qua 1 số điểm) mà nằm trung gian giữa các điểm đó, nhưng vẫn đảm bảo được tính liên tục, độ cong

Hình 1.11 Đường cong B-spline Hình 1.12 Mặt cong B-spline

1.3.3 Phương pháp số từ dữ liệu đám mây điểm

- Đây là phương pháp mới mà đề tài tập trung khai thác, phát triển Dữ liệu điểm sau khi thu thập được từ máy CMM sẽ không thực hiện nội suy hay sử dụng phương pháp xấp xỉ để dựng mặt cong Mà chuyển sang xử lý làm mịn đường cong, mặt cong bằng cách nối các trung điểm của 2 đoạn thẳng có chung 1 điểm, quá trình cứ lặp đi lặp lại như vậy cho đến khi có được đường cong mịn hay mặt cong trơn láng cần thiết

Trang 26

Hình 1.13 Phương pháp làm mịn

- Phương pháp này xuất pháp từ nguyên lý: đường cong là tập hợp của rất nhiều đoạn thẳng nối lại với nhau Phương pháp này cho độ chính xác cao bởi khả năng lấy mẫu của máy CMM là rất lớn thông qua các cảm biến điện tử Dung lượng lưu trữ và xử lý số liệu không còn là vấn đề lớn, bởi vì sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghệ thông tin đã tạo ra các máy tính có dung lượng bộ nhớ lớn cũng như chíp xử lý mạnh, kể cả loại máy tính xách tay

Hình 1.14 Minh họa hương pháp xây dựng mặt cong bằng cách tổng hợp các

đường sinh dọc và ngang

A6 A2

I6 I5

A5

I4 A4

A3 I3 A1

A7

Trang 27

Hình 1.15 Minh họa phương pháp xây dựng mặt cong từ mạng lưới 3 điểm gần

nhau nhất

Trang 28

1.4 Kết luận chương 1

Cùng với sự phát triển của các ngành nghề, nhu cầu về sản xuất ngược đang đem lại cho chủ doanh nghiệp những giá trị kinh tế to lớn Đó là tiết kiệm thời gian cho việc thiết kế sản phẩm, không phải thuê người thiết kế, không cần hiểu biết nhiều về kỹ thuật, người chủ chỉ cần bỏ chi phí mua thiết bị số hóa và sử dụng cho mục đích sản xuất Bằng cách sử dụng thiết bị có thể cho ra đời một mẫu mã mới bằng cách chỉnh sửa dữ liệu điểm thu được Ứng dụng kỹ thuật ngược đang là xu hướng mới của nền sản xuất hiện đại

Nhờ các phương pháp như nội suy dựa trên các đa thức kinh điển, các phương pháp xấp xỉ ta đã hình dung được cách tạo một đường cong hay mặt cong là

cơ sở lý thuyết quan trọng trong quá trình thiết kế các phần mềm xử lý đồ họa Một trong những điều sáng tạo của đề tài đó là xây dựng nên đường cong, mặt cong thông qua nối các mật độ điểm dày đặc Với mật độ điểm dày đặc như vậy đủ mô tả chính xác các bề mặt kỹ thuật mà không cần nội suy, cách xây dựng đường cong hay mặt cong được thực hiện bằng cách nối 2 điểm gần nhau nhất Bản chất của việc nội suy cũng là tạo ra các đường để từ đó xác định được tọa độ của các điểm trung gian Còn trong trường hợp mật độ điểm đo không đủ dày không thể sử dụng phân tố bậc nhất để nội suy, lúc này cần sử dụng đến các kỹ thuật nội suy nói trên

Trang 29

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ, CẤU TRÚC MÁY ĐO BA CHIỀU KIỂU ROBOT

2.1 Định hướng đề tài

2.1.1 Lý do chọn đề tài

- Thiết bị số hóa dữ liệu bề mặt vật thể kiểu tay robot 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 như đã trình bày ở chương 1, trong đó cấu hình robot Arm do khối lượng và kích thước nhỏ gọn thường được gọi là máy CMM xách tay có tính linh hoạt trong sử dụng, thiết kế tay

đo này ứng dụng các kỹ thuật như thiết kế robot

- Đề tài kỳ vọng có thể 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 số hóa và đo lường các bề mặt không gian ba chiều (3D)

- Các chức năng của một tay đo CMM là rất phong phú tuy nhiên nếu tập trung vào

số hóa biên dạng đơn thuần hoặc có thể phục vụ cho việc đo lường, việc thiết kế chế tạo trong nước có thể đáp ứng nhiều khách hàng trong nước có nhu cầu đo nhưng không đủ khả năng tài chính cho việc đầu tư một sản phẩm giá thành cao từ chính hãng

2.1.2 Mục tiêu của nghiên cứu

- Mục tiêu về lý thuyết: thiết kế, chế tạo một thiết bị dùng để số hóa dữ liệu bề mặt

vật thể thông qua nâng cấp một thiết bị hai chiều (2D) có sẵn bằng cách bổ sung cả phần cứng và viết thêm phần mềm xử lý số liệu Số liệu đo lường cần được xuất

sang các định dạng file phù hợp cho biểu diễn đồ họa hoặc điều khiển máy công cụ

Xem xét việc sử dụng phương pháp số thiết kế động học ngược nhằm xác định độ chính xác của các cảm biến trong bài toán đo lường gián tiếp thay cho kỹ thuật dịch chuyển vi phân như các thiết kế truyền thống

- Mục tiêu thực nghiệm: Chế tạo hoàn chỉnh thiết bị số hóa bề mặt 3D theo hướng

Cơ điện tử nhằm thử nghiệm các tính năng theo yêu cầu đề ra

Trang 30

Kết nối CAD/CAM/CNC để đánh giá mức độ chính xác của thiết bị so với lý thuyết

đã xây dựng

2.1.3 Phương pháp và phương pháp luận

- Phương pháp nghiên cứu: Lý thuyết về động học robot đã chỉ ra rằng trong một

chuỗi động học biết trước các đặc trưng kết cấu, vị trí và hướng của một khâu bất

kỳ so với một chuẩn quy chiếu biết trước hoàn toàn xác định nếu biết chuyển vị của các khớp động Ứng dụng nguyên lý này vào thiết kế máy đo cho một nhóm sản phẩm cụ thể đáp ứng các yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật đặt ra là một đề tài mang tính triển khai Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp kiểm chứng bằng thực nghiệm có thể làm sáng tỏ vấn đề

- Phương pháp luận: Phương pháp luận liên quan tới các thiết kế trong đề tài bao

xử lý thông tin đo từ các cảm biến

2.1.4 Ý nghĩa của nghiên cứu

- Ý nghĩa khoa hoc:

Hoàn thiện cách thiết kế hệ thống đo gián tiếp thông qua sử dụng phương pháp số thay cho phương pháp dịch chuyển vi phân truyền thống

Chỉ ra cơ chế chi phối lẫn nhau giữa các nhóm nguyên nhân ảnh hưởng đến kết quả

đo lường bao gồm:

+ Dung sai chế tạo cơ khí

+ Độ phân giải của cảm biến

+ Sai số phương pháp trong quan điểm tính toán động học máy

Trang 31

+ Sai số quy tròn tích lũy trong xử lý số liệu và nội suy

- Ý nghĩa thực tiễn:

Máy CMM là thiết bị được cung cấp có điều kiện ứng dụng phi quân sự, mặt khác ngay cả các ứng dụng khác nếu thiếu sự đồng bộ trong đầu tư dây chuyền máy không phát huy được hiệu quả trong khi một số trường hợp khác việc giải quyết được nhu cầu số hóa và đo lường cơ điện tử sẽ nâng được chất lượng và tiết kiệm nhiều chi phí nghiên cứu sản phẩm

- 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

2.2 Một số nghiên cứu ở Việt Nam có liên quan đến đề tài

Ở Việt Nam có các công trình tiêu biểu liên quan đến nội dung của đề tài là:

- Tại viện nghiên cứu công nghệ cao ĐHBK Hà Nội có một đề tài nhánh trọng điểm cấp nhà nước “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các robot thông minh phục vụ cho các ứng dụng quan trọng” do GS.TSKH Nguyễn Thiện Phúc làm chủ nhiệm, đề tài mã

số KC.03.08 Kết quả của đề tài là robot RE-03, robot này có hai bậc tự do và đồ gá

có một bậc tự do, tuy nhiên các mô đun chính sử dụng trên robot là đầu đo Linear

Gauge LGE-1025 (Mitutoyo) và thước đo cao hiện số Series 192-655 (Mitutoyo)

đều là các mô đun tiêu chuẩn của Mitutoyo nhập khẩu nên việc chế tạo thực chất là

tổ hợp các mô đun có sẵn phương án này có giá thành cao song đảm bảo độ chính xác cần thiết

- Tại ĐHBK TP HCM có một nghiên cứu liên quan mang tên “Ứng dụng robot song song trong máy đo tọa độ CMM” của TS Thái Thị Thu Hà, tham khảo tại

http://elib.tic.edu.vn:8080/dspace/bitstream/123456789/10467/1/16DT-VT.pdf

tuy dùng cho mục đích đo song đây không phải là cấu hình mà chúng tôi muốn lựa chọn để triển khai trong nghiên cứu này

- Tại viện nghiên cứu Narim (http://www.narime.gov.vn/) thực hiện thành công việc

nghiên cứu và chế tạo máy đo CMM kiểu cầu (bridge) với vùng làm việc

Trang 32

600x500x400 (mm) Độ chính xác công bố ở điều kiện đo 200C là (4+L/100) μm với L là chiều dài kích thước đo, việc nghiên cứu có kết quả tốt song cấu hình bridge không phải đối tượng chúng tôi muốn triển khai trong nghiên cứu này, các

kỹ thuật thiết kế hai loại máy này khá khác biệt

- Tại trường ĐH công nghiệp – ĐH Thái Nguyên có một đề tài cấp cơ sở, mang mã

số T2014-16 Đây là đề tài mà chúng tôi muốn hướng tới, thiết bị số hóa kiểu tay robot Nhưng khả năng đo đang dừng lại ở 2D Do đó hướng phát triển của đề tài

mà chúng chọn là nâng cấp máy để đo được các biên dạng 3D

- Ở Việt Nam có nhiều nhà sản xuất, lắp ráp máy CMM (http://leadervietnam.com)

và rất nhiều nhà thương mại tuy nhiên các đối tượng này không thực hiện các nghiên cứu tương tự nhằm giải mã và nội địa hóa dòng máy PCMM như chúng tôi

đề cập ở đề tài này

2.3 Định hướng thiết kế

2.3.1 Thiết bị CMM 2D đã có (hình ảnh)

Thiết bị này bao gồm:

1) Tay máy 2 bậc tự do, chế tạo từ hợp kim Nhôm

2) Bàn máy, khung đỡ và chân máy, chế tạo từ thép và nhôm

3) 2 rotary encoder loại 5000 xung/vòng, model: E40S6-5000-3-T-24, Autonics 4) 1 PLC Omron SYSMAC CP1L

5) 1 Cáp kết nối dữ liệu RS232 giữa PLC và máy tính

6) 1 Phần mềm “CMM Machine” giao tiếp giữa PLC và máy tính

7) 1 Khối V từ tính

Trang 33

Hình 2.1 Thiết bị CMM 2D

Hình 2.2 Tay máy và khối V từ Hình 2.3 Encoder 5000 xung/vòng

Hình 2.4 PLC Omron CP1L Hình 2.5 Giao diện chương trình CMM 2D

2.3.2 Nâng cấp máy thiết bị số hóa CMM 2D lên 3D

Trang 34

- Máy CMM 2D đã có chỉ đo được các biên dạng đường cong nằm trong mặt phẳng Oxy Do đó để tiến hành đo và dựng lại được bề mặt vật thể trong không gian Oxyz thì ta cần phải bổ sung trục Oz Xuất phát từ ý tưởng đó, chúng tôi đã thiết kế thêm phần cứng của máy là một bộ trượt trục Z, các loại đầu đo tiếp xúc, giá trung gian

để lắp đặt đầu đo, một mô-tơ bước, 1 PLC để điều khiển bộ trượt, 1 bộ nguồn và tủ điện Đồng thời viết thêm các phần mềm khác để xử lý số liệu đo được và quan trọng là xây dựng nên mặt cong 3D từ dữ liệu điểm thu được

- Cấu hình tay đo 2 khâu nên máy hạn chế về không gian làm việc Tổng số bậc tự

do tối thiểu của thiết bị là 3 (2 chuyển động quay, 1 chuyển động tịnh tiến), kích thước không gian làm việc hiệu quả của máy là: Dài*Rộng*Cao = 150*100*100 (mm) Nếu bậc tự do càng lớn sẽ làm tăng khả năng quét cũng như không gian quét của thiết bị Nhưng với mục tiêu nghiên cứu để giải mã và làm chủ được công nghệ chế tạo thì vấn đề trên có thể xem nhẹ

Hình 2.6 Lắp ráp tổng thành máy CMM 3D

Thiết bị lắp ráp tổng thành bao gồm (hình 2.6):

Trang 35

1) Tay máy 2 bậc tự do, chế tạo tư Nhôm

2) Bàn máy, khung đỡ và chân máy, chế tạo từ thép và nhôm

3) 2 rotary encoder loại 5000 xung/vòng, model: E40S6-5000-3-T-24, Autonics 4) 1 PLC Omron SYSMAC CP1L-M40 Thông số:

+ Ngõ I/O: 40, trong đó ngõ vào 24, ngõ ra 16 Relay

+ Nguồn điện: 100-240 VAC, 50/60 Hz

+ Nguồn cung cấp ngoài: 24VDC

+ Ngôn ngữ lập trình: Khối chức năng Ladder Logic, Structure Text, Function Block and IL

+ Dung lượng chương trình: 32 kWords

+ Thời gian thực hiện lệnh: 0,55 µs (lệnh cơ bản); 4,1 µs (lệnh đặc biệt)

+ Cổng truyền thông USB và 2 cổng nối tiếp có thể lựa chọn bo mở rộng RS-232 hoặc RS-422/485

5) 1 Cáp kết nối dữ liệu RS232 giữa PLC và máy tính

6) 1 Phần mềm “CMM Machine” giao tiếp giữa PLC và máy tính

7) 2 Đầu đo tiếp xúc, bán kính đầu đo R1.5 và R1.75 (mm)

8) 1 giá bắt đầu đo

9) Bộ trược trục Z điều khiển bởi mô-tơ bước (hình 2.7) Tham số:

+ Vít-me bi, bước vít 4 mm

+ Đường kính trục vít-me Ø12 mm

+ Hành trình vít-me L = 200 mm

+ Mô-tơ bước loại 12VDC, 4 chân, bước 1,8o

Hình 2.7 Bộ trượt trục Z

Trang 36

10) 1 Drive điều khiển mô-tơ bước loại TB6560-3A (hình 2.8) Thông số:

+ Điện áp cung cấp từ 10-35 VDC, khuyến cáo nên dùng ở 24 VDC

+ Nguồn điện: 100-240 VAC, 50/60 Hz

+ Nguồn cung cấp ngoài: 24VDC

Trang 37

Hình 2.10 Hộp điều khiển trục Z

Hình 2.11 Gá đặt chi tiết cần đo lên thiết bị

Hình 2.12 Add-in “Chen Toa Do Z”

Trang 38

Hình 2.13 Chương trình số hóa biên dạng vật thể

2.3.3 Ý tưởng thiết kế thiết bị số hóa bề mặt vật thể kiểu tay robot

- Định hình ý tưởng đo theo chiều trục Z trong hệ tọa độ Đề-các Oxyz bằng cách bổ sung một bộ trượt vít-me bi thay vì xuất phát từ ý tưởng tạo ra tọa độ trụ tại vị trí trục của vật thể, phương án này vừa tốn kém vừa làm cho kích thước máy cồng kềnh, tính công nghệ không cao

- Dùng mô-tơ bước để điều khiển trực vít-me bi Đây là phương án tối ưu hơn cả vi nếu dùng mô-tơ DC sẽ phải bổ sung một mạch chấp hành, vấn đề điều khiển cũng không thể chỉnh xác và sự “phanh từ” không hiệu quả như mô-tơ bước Nếu dùng động cơ servo thì không có lợi về mặt kinh tế vì giá thành những thiết bị này đắt tiền và mức độ điều khiển đơn giản nên chưa cần dùng loại động cơ servo

- Tác giả đã dự định chỉ sử dụng 1 PLC cho việc thu thập, xử lý dữ liệu và điều khiển thiết bị nhưng “băm xung” để điều khiển mô-tơ bước thì loại PLC Omron có ngõ ra Relay không làm được, trong khi đó PLC Mitsubishi có ngõ ra Transistor lại làm tốt Mặt khác để tôn trọng thiết kế chế tạo máy đo 2D, tác giả đã không can

Trang 39

thiệp sâu vào phần mềm, phần cứng hay hoán cải chúng, sự thay đổi chỉ dừng lại ở việc lắp ghép bổ sung các thiết bị còn thiếu để dựng nên máy đo 3D Tức là máy vẫn có thể đo 2D bình thường khi yêu cầu không cần đo 3D

- Thiết kế đầu đo và giá đầu đo Máy 2D đã có trang bị đầu đo hình trụ đường kính lớn Ø6 mm, không đo được các vị trí có bán kính bo tròn nhỏ hơn 3mm, không đo được các biên dạng lồi lõm Vấn đề đặt ra là phải chế tạo được đầu đo hình cầu, có bán kính cầu càng nhỏ càng tốt và độ cứng đầu đo phải đạt tiêu chuẩn Nếu sử dụng các loại đầu đo ngoại nhập với giá thành cao, không phù hợp với mục tiêu của đề tài

là làm tăng tỷ lệ nội địa hóa Do đó tác giả đã tập trung tìm hiểu và có một cách làm sáng tạo để chế tạo đầu đo Đó là dùng viên bi có đường kính Ø3mm đã được tiêu chuẩn từ vòng bi NSK làm đầu đo, gia công tiện chế tạo phần thân đầu đo, tại vị trí

gá đặt đầu đo tiện côn để dễ dàng định tâm khi gá đặt viên bi vào thân Sử dụng keo

2 thành phần EPOXY để gắn kết vật liệu kim loại với nhau Loại keo này đã được kiểm nghiệm và thương mại hóa quốc tế, đảm bảo độ bền chắc, chịu va đập và chịu được nhiệt độ lên đến 300oC

Hình 2.14 Cách chế tạo đầu đo Hình 2.15 Keo 2 thành phần Epoxy

- Thiết kế phần mềm xử lý số liệu đo được từ máy 2D Xuất sang các định dạng file CAD/CAM hay các file gia công để thực hiện gia công CNC

2.4 Kết luận chương 2

Như đã trình bày ở trên, phương án nghiên cứu nâng cấp một thiết bị CMM 2D đã

có lên 3D là công việc có ý nghĩa quan trọng trong các bài toán kỹ thuật, số hóa được các biên dạng phức tạp, các mặt cong tự do không theo quy luật của các phép nội suy toán học Đồng thời việc nghiên cứu cho ta hiểu rõ bản chất của máy CMM

Keo EPOXY

Thân đầu đo Viên bi

Trang 40

3D là gì và phương án chế tạo nó như thế nào Trên cơ sở đó làm chủ được công nghệ chế tạo, tăng khả năng nội địa hóa, giảm chi phí nhập ngoại, trong bối cảnh nước ta đang là một nước nhập khẩu trang thiết bị chủ yếu

Định dạng
Số trang	99
Dung lượng	3,86 MB

Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị số hóa dữ liệu bề mặt vật thể kiểu tay Robot (LV thạc sĩ)

XÁC ĐỊNH SAI SỐ CÁC THÀNH PHẦN CỦA THIẾT BỊ 4.1 Xác định các dạng sai số

Sai số bộ truyền vít-me b