Nghiên cứu thiết kế công cụ quét 3D sử dụng cảm biến đo dịch chuyển laser phục vụ thiết kế ngược

Nghiên cứu thiết kế công cụ quét 3D sử dụng cảm biến đo dịch chuyển laser phục vụ thiết kế ngược Nghiên cứu thiết kế công cụ quét 3D sử dụng cảm biến đo dịch chuyển laser phục vụ thiết kế ngược Nghiên cứu thiết kế công cụ quét 3D sử dụng cảm biến đo dịch chuyển laser phục vụ thiết kế ngược luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS: Nguyễn Huy Ninh

HÀ NỘI - 2016

Page 1

Mục lục

Lời cảm ơn 3

Lời cam đoan 4

DANH MụC CáC Ký HIệU Và Từ VIếT TắT 5

DANH MụC CáC hình vẽ 6

DANH MụC CáC bảng biểu 10

Mở đầu 11

Chương 1 : Tổng quan về công nghệ thiết kế ngược.13 1.1 Khái niệm và ứng dụng của công nghệ thiết kế ngược 13

1.2 Quy trình công nghệ thiết kế ngược 19

1.3 Thiết bị số hóa sản phẩm trong công nghệ thiết kế ngược 21

1.3.1 Lịch sử ra đời và phát triển 21

1.3.2 Phân loại máy CMM 24

1.3.3 Cấu tạo cơ bản của máy CMM 32

1.4 Xử lý dữ liệu sau khi quét mẫu 34

Chương 2 : thiết kế công cụ quét 3d sử dụng cảm biến laser đo khoảng cách 38

2.1 Giới hạn đối tượng quét 38

2.2 Đầu do sử dụng cảm biến ZX-LD30V 38

2.3 Bộ khuếch đại tín hiệu ZX-LDA11 40

2.4 Bộ kết nối với máy tính 41

2.5 Kiến trúc máy 42

Page 2

2.6 Hệ thống truyền động 43

2.7 Hệ thống điều khiển 44

2.7.1 Mạch điểu khiển Arduino UNO R3 45

2.7.2 CNC shield 51

2.7.3 Motor driver DRV8825 54

2.8 Phần mềm điều khiển CNC GRBL dùng cho Arduino 55

2.9 Giao diện điều khiển Universal G-code Sender 58

2.10 Các yếu tố ảnh hưởng đến sai số của máy 62

2.11 Chế tạo thiết bị quét 3D: 63

Chương 3 : thực nghiệm quét và dựng lại mô hình bề mặt 3d của vật mẫu 67

3.1 Thiết lập các thông số cơ bản cho máy quét 67

3.2 Quét vật mẫu 71

3.2.1 Chọn vật mẫu quét 71

3.2.2 Thực hiện phép quét 72

3.3 Xử lý dữ liệu đám mấy điểm 76

3.4 Dựng lại bề mặt vật mẫu 82

Kết luận và hướng phát triển 84

các Tài liệu tham khảo 85

Phụ lục 86

Page 3

Lời cảm ơn

Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô trong viện Cơ khí và

viện Sau Đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đd trang bị cho tôi nhiều kiến

thức quý báu trong thời gian qua

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Huy Ninh, người hướng dẫn

khoa học của luận văn đd tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Sau cùng, tôi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và những người thân đd tận

tình góp ý và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu

Hà Nội, ngày 25 tháng 3 năm 2016

TáC GIả LUậN VĂN

Phạm Trung Hải

Page 4

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng những điều được nêu ra trong luận văn thạc sĩ kỹ thuật

"Nghiên cứu thiết kế công cụ quét 3D sử dụng cảm biến đo dịch chuyển LASER

phục vụ thiết kế ngược" là hoàn toàn đúng Tất cả kết quả thu được từ luận văn đều

là từ quá trình nghiên cứu Mọi tài liệu và sự trợ giúp thực hiện luận văn đều đd được chỉ rõ nguồn gốc

Khi viết bản luận văn này, tác giả có tham khảo và kế thừa một số kết quả nghiên cứu của các tác giả đi trước và sử dụng những thông tin số liệu từ các tạp chí, sách, mạng internet … theo danh mục tham khảo

Tác giả cam đoan không có sự sao chép nguyên văn từ bất kỳ luận văn nào hay nhờ người khác viết Tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về cam đoan của mình và chấp nhận mọi hình thức kỷ luật theo quy định của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Hà Nội, ngày 25 tháng 3 năm 2016

TáC GIả LUậN VĂN

Phạm Trung Hải

Page 5

DANH MụC CáC Ký HIệU Và Từ VIếT TắT

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

RE Reverse Engineering Công nghệ thiết kế ngược CAD Computer Aided Designing ứng dụng máy tính hỗ trợ thiết

kế CAM Computer Aided

Manufacturing

ứng dụng máy tính hỗ trợ công tác chế tạo, sản xuất

CAE Computer Aided Engineering ứng dụng máy tính hỗ trợ

trong việc phân tích các đối tượng hình học CAD

CAPP Computer Aided Process Plan ứng dụng máy tính trong việc

lên kế hoặch sản xuất

RP Rapid Prototying Công nghệ tạo mẫu nhanh CNC Computer Numerical Control Máy gia công điều khiển số CMM Coordinate Mesuring

Maschine

Máy đo tọa độ

NURBS Non-uniform rational basic

spline

Một dạng mô hình toán học dùng để biểu diễn đường cong

và bề mặt I/O Input/Output Chân nhận tín hiệu/ chân xuất

tín hiệu của vi điều khiển G-Code Ngôn ngữ lập trình điều khiển

máy CNC Firmware Phần mềm nhúng, được nạp

vào trong vi điều khiển

Page 6

DANH MụC CáC hình vẽ

Chương 1:

Hình 1.1: Quy trình thiết kế mũ bảo hiểm áp dụng công nghệ tái tạo 15

Hình 1.2: Công nghệ RE dựng mô hình CAD cho các sản phẩm nghệ thuật 16 Hình 1.3: ứng dụng công nghệ RE lấy mẫu hoa văn thủ công 16

Hình 1.4: ứng dụng công nghệ RE thiết kế lại sản phẩm cơ khí phức tạp 17

Hình 1.5: ứng dụng RE trong khảo cổ học 17

Hình 1.6: ứng dụng RE tạo mảnh sọ ndo trong y học 18

Hình 1.7: Sử dụng RE thiết kế nhân vật và môi trường trong Game và phim hoạt hình 18

Hình 1.8: So sánh quy trình công nghệ thiết kế thuận và thiết kế ngược 20

Hình 1.9: Máy đo tọa độ Ferranti Merlin 22

Hình 1.10: Máy đo tọa độCORDAX 1808 22

Hình 1.11: Máy đo tọa độ ZMC 550 24

Hình 1.12: Máy đo tọa độ UPMC 850 CARAT 24

Hình 1.13: CMM kích thước lớn 25

Hình 1.14: CMM kích thước thường 25

Hình 1.15: Nano CMM F25 của hdng Carl Zeiss 26

Hình 1.16: Máy CMM kiểu tay gấp (Artigulated arm) 27

Hình 1.17: Sử dụng máy đo CMM kiểu tay gấp để quét vật mẫu 27

Hình 1.18: Máy CMM dạng cầu (Bridge) 28

Hình 1.19: CMM kiểm công xôn 28

Hình 1.20: Máy CMM kiểu giàn (Gantry) 29

Page 7

Hình 1.21: Máy CMM kiểu tay ngang (Horizonal arm) 30

Hình 1.22: Đầu dò đo bằng phương pháp tiếp xúc 31

Hình 1.23: Nguyên lý hoạt động của đầu đo không tiếp xúc 32

Hình 1.24: Mô hình các thành phần cơ bản của một hệ thống CMM hiện đại 33

Hình 1.25: Lược đồ các thành phân cơ bản của máy đo tọa độ 33

Hình 1.26: Các bước xử lý dữ liệu scan 35

Hình 1.27: Xử lý xóa các điểm nhiễu ở đám mấy điểm 36

Hình 1.28: Tạo và hiệu chỉnh lưới tam giác 36

Chương 2: Hình 2.1:Kích thước cảm biến ZX-LD30V 39

Hình 2.2: Bộ khuếch đại ZX-LDA11 40

Hình 2.3: Sơ đồ đấu dây điều khiển của bộ khuếch đại tín hiệu 41

Hình 2.4: Bộ giao tiếp máy tính ZX-SF11 42

Hình 2.5: Thiết kế mô hình máy quét 3D bằng phần mềm Inventor 2014 43

Hình 2.6: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 45

Hình 2.7: Một số chủng loại mạch Arduino 47

Hình 2.8: Màn hình giao diện Arduino IDE 48

Hình 2.9: Mạch vi điều khiển Arduino UNO R3 49

Hình 2.10: CNC shield 52

Hình 2.11: Lắp ráp CNC shield và Motor driver trên Arduino UNO R3 52

Hình 2.12: Tùy chọn điều khiển trục A 52

Hình 2.13: Vị trí cắm dăm lựa chọn chế độ điều khiển vi bước 53

Hình 2.14: Các chế độ điều khiển vi bước của mạch điều khiển A4988 53

Page 8

Hình 2.15: Các chế độ điều khiển vi bước của mạch điều khiển DRV8825 53

Hình 2.16: Mạch điểu khiển động cơ bước DTV8825 54

Hình 2.17: Đấu nỗi DRV8825 với động cơ và mạch điều khiển chung 55

Hình 2.18: Giao diện sử dụng của Universal G-code sender 60

Hình 2.19: Cửa số thông báo việc gia công xong 60

Hình 2.20: Mô phỏng 3D đường chạy của dụng cụ theo chương trình G-code 61

Hình 2.21: Giao diện điều khiển bẳng tay 61

Hình 2.22: Một số hình ảnh trong quá trình chế tạo thiết bị quét 65

Chương 3: Hình 3.1: Khởi động chương trình UGS 67

Hình 3.2: Thiết lập các thông số cho GRBL 68

Hình 3.3: Vật mẫu quét 71

Hình 3.4: Sơ đồ chạy đầu đò khi quét 72

Hình 3.5: Cài đặt chế độ đo cho đầu đò - Đo theo chu trình 10ms một lần liên tục trong 2h 73

Hình 3.6: Chương trình G-code điều khiển máy quét 74

Hình 3.7: Đầu do đang quét vật mẫu 75

Hình 3.8: Màn hình thu nhận dữ liệu 75

Hình 3.9: File dữ liệu thu nhận được 76

Hình 3.10:File sau khi lọc dữ liệu 77

Hình 3.11: Sơ đồ thuật toán chương trình Matlab 79

Hình 3.12: Chương trình Matlab 80

Hình 3.13: File output thu được 81

Page 9

Hình 3.14: File theo định dạng *.xyz 82Hình 3.15: Sử dụng Geomagic Control xử lý đám mây điểm 82Hình 3.16: Xây dựng bề mặt từ đám mây điểm 83

Page 10

DANH MụC CáC bảng biểu

Bảng 2-1: Thông số kỹ thuật cơ bản của cảm biến ZX-LD30V 39Bảng 2-2: Thông số bộ truyền động 44Bảng 2-3: Tổng hợp giá thành chế tạo 66

Page 11

Mở đầu

Ngày này với sự phát triển của nền khoa học kỹ thuật hiện đại, sự trợ giúp của công nghệ thông tin, các quá trình sản xuất đd có những bước phát triển lớn Tiêu biểu đó là sự ra đời của công nghệ thiết kế ngược (Reverse Engineering) Ra

đời từ những năm 90 của thế kỷ trước, thiết kế ngược đd được nghiên cứu áp dụng trong lĩnh vực phát triển nhanh sản phẩm, đặc biệt là trong lĩnh vực thiết kế các mô hình 3D từ mô hình cũ đd có nhờ sự trợ giúp của máy tính

Lĩnh vực này ngày càng phát triển theo sự phát triển của các công cụ số hóa sản phẩm và các phần mềm xử lý dữ liệu quét Có thể nói đây là 2 yếu tố quan trọng quyết định chất lượng của công tác thiết kế ngược Làm chủ được 2 yếu tố này là làm chủ được công nghệ thiết kế ngược

Đồ án “Nghiên cứu thiết kế công cụ quét 3D sử dụng cảm biến đo khoảng cách LASER phục cụ thiết kế ngược” được thực hiện nhằm mục đích từng bước tiếp cận các công nghệ phục vụ cho công nghệ thiết kế ngược, đặc biệt là thiết kế chế tạo công cụ số hóa sản phẩm

Trong khuôn khổ là luận văn thạc sỹ, bài nghiên cứu chỉ thiết kế công cụ quét

ở mức cơ bản nhất bằng những thiết bị sẵn có

Phạm vi nghiên cứu của để tài bao gồm nghiên cứu tổng quan về kỹ thuật thiết kế ngược, các thiết bị số hóa vật mẫu phục vụ công tác thiết kế ngược, thiết kế chế tạo máy quét 3D sử dụng đầu dò là cảm biến laser, thực nghiệm đo vật mẫu và xây dựng lại bề mặt vật mẫu bằng máy quét đd chế tạo

Để thực hiện được luận văn, ngoài việc tìm kiếm và tham khảo các tài liệu kỹ thuật, các đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước, tác giả đd nhận được sự hướng dẫn

tận tình và tỷ mỉ của PGS.TS Nguyễn Huy Ninh

Luận văn được trình bày thành 3 chương

- Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về công nghệ thiết kế ngược, các thiết bị dùng để số hóa vật mẫu sử dụng trong công nghệ thiết kế ngược

Page 13

Chương 1 : Tổng quan về công nghệ thiết kế ngược

1.1 Khái niệm và ứng dụng của công nghệ thiết kế ngược

Trong lĩnh vực sản xuất, thông thường để chế tạo ra một sản phẩm, người thiết kế đưa ra ý tưởng về sản phẩm đó, phác thảo ra sản phẩm, tiếp theo là quá trình tính toán thiết kế, chế tạo thử, rồi kiểm nghiệm, hoàn thiện phác thảo để đưa ra phương án tối ưu, cuối cùng mới là công đoạn sản xuất ra sản phẩm hoàn thiện Đây chính là chu trình sản xuất truyền thống, là phương pháp sản xuất đd được áp dụng

từ bao thế kỷ nay Phương pháp này còn được gọi là công nghệ sản xuất thuận (Forward Engineering) Trong vài chục năm trở lại đây với sự phát triển của của công nghệ, xuất hiện một dạng sản xuất theo một chu trình mới, đi ngược với sản xuất truyền thống, đó là chế tạo ra sản phẩm theo hoặc dựa trên một sản phẩm có sẵn Quy trình này được gọi là công nghệ thiết kế ngược (Reverse Engineering) hay cũng được hiểu là công nghệ tái tạo hay công nghệ chế tạo ngược

Công nghệ này ra đời dựa trên nhu cầu sản xuất thực tế, đôi khi người ta cần chế tạo sản phẩm theo những mẫu có sẵn mà chưa (hoặc không) có mô hình CAD tương ứng như các chi tiết là đồ cổ vật, những chi tiết đd ngừng sản xuất từ lâu, những chi tiết không rõ xuất xứ, những phù điêu, bộ phận cơ thể con người, động vật Hay đơn giản chỉ là sao chép lại kết cấu của những sản phẩm đd khẳng định tên tuổi trên thị trường (để giảm chi phí chế tạo mẫu) hoặc để cải tiến sản phẩm đó theo một hướng mới Để tạo được mẫu của những sản phẩm này, trước đây người ta phải đo

đạc rồi vẽ phác lại hoặc dựng 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 đối với những chi tiết phức tạp Ngày nay người ta đd sử dụng máy quét hình để số hoá hình dáng của chi tiết sau đó nhờ các phần mềm CAD/CAM chuyên dụng để xử lý dữ liệu số hoá cuối cùng sẽ tạo ra được mô hình CAD 3D cho chi tiết với độ chính xác cao Mô hình CAD này cũng có thể chỉnh sửa nếu cần

Page 14

Trên phạm vi rộng công nghệ thiết kế ngược được định nghĩa là hoạt động bao gồm các bước phân tích để lấy thông tin về một sản phẩm đd có sẵn (bao gồm thông tin về chức năng các bộ phận, đặc điểm về kết cấu hình học, vật liệu, tính công nghệ) sau đó tiến hành khôi phục lại mô hình CAD cho chi tiết hoặc phát triển thành sản phẩm mới, sử dụng CAD/CAM/CAE để tối ưu thiết kế cuối cùng là áp dụng CAPP/RP/CNC để chế tạo sản phẩm Công nghệ thiết kế ngược đd được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như hoá học, điện tử, xây dựng, cơ khí, y học, nghệ thuật…Ví dụ trong xây dựng, chúng ta luôn học hỏi kỹ thuật thiết kế cũng như thi công của những công trình hoàn thiện của thế giới để giảm thiểu những sai sót Giảm thời gian thiết kế và tăng thêm tính ưu việt cho những công trình của mình

Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo, công nghệ thiết kế ngược được định nghĩa là hoạt động tạo ra sản phẩm từ các mẫu sản phẩm cho trước mà không có bản vẽ thiết

kế hoặc có nhưng đd bị mất hay không rõ dàng Sản phẩm mới được tạo ra trên cơ sở khôi phục nguyên vẹn hoặc phát triển lên từ thực thể ban đầu đó

Từ khi ra đời vào những năm 90 của thế kỷ trước, công nghệ thiết kế ngược (RE) đd được nghiên cứu, áp dụng trong nhiệu lĩnh vực phát triển nhanh sản phẩm,

đặc biệt là trong lĩnh vực thiết kế mô hình 3D từ mô hình đd có sẵn nhờ sự trợ giúp của máy tính Kỹ thuật RE ngày càng phát triển theo sự phát triển của các phần mềm CAD/CAM Nó luôn được quan tâm và cũng liên tục được cải tiến để đáp ứng nhu cầu của xd hội trên nhiều lĩnh vực sản xuất Công nghệ RE trở thành một bộ phận quan trọng của sản xuất hiện đại Đd có nhiều công ty của nhiều quốc gia ứng dụng hiệu quả và rất thành công trong công nghệ này Có thể lấy Trung Quốc là một

điển hình Nhiều loại sản phẩm như xe máy, ô tô, máy móc, hàng loạt đồ gia dụng,

đồ chơi…đd được sản xuất dựa trên sự sao chép các mẫu có sẵn trên thị trường của các hdng nổi tiếng của Nhật, Hàn Quốc như Honda, Misubishi, Toyota…

Page 15

Hình 1.1: Quy trình thiết kế mũ bảo hiểm áp dụng công nghệ tái tạo

Với tính ưu việt của mình là mô hình hoá được nhiều loại chi tiết (kể cả các chi tiết có độ phức tạp cao) một cách nhanh chóng và chính xác, công nghệ tái tạo

đáp ứng tối đa được các nhu cầu đa dạng của thị trường trong rất nhiều lĩnh vực:

Trong lĩnh vực nghệ thuật công nghệ RE được thể hiện ở việc sao chép hoặc phân tích các đặc điểm, nét vẽ của các kiệt tác hội hoạ, điêu khắc Thông thường với những chi tiết yêu cầu cao về tính thẩm mỹ, sản phẩm được mô hình hoá bởi các nhà mỹ thuật trên các chất liệu như đất sét, chất dẻo, gỗ v.v Tuy nhiên các tác phẩm hay các kiệt tác nghệ thuật chỉ có một và là ý tưởng duy nhất của một nhà nghệ thuật, nhà thiết kế nào đó, trong khi ai cũng muốn được có, muốn được thưởng thức chúng Nhu cầu thị trường đòi hỏi các sản phẩm phải có một số lượng lớn theo một vài phong cách, hay sản phẩm của một số nhà thiết kế mà tác phẩm của họ đd

được khẳng định trên thị trường Để đáp ứng nhu cầu đó thì cần phải có được mô hình CAD của mẫu sản phẩm mong muốn Việc này chỉ có thể thực hiện bằng công nghệ RE Với các thiết bị máy móc hiện đại và sự trợ giúp của máy tính, chúng ta

có thể xây dựng được các dữ liệu CAD giống hệt mô hình thật do các nhà mỹ thuật tạo ra với dung sai rất nhỏ

Page 16

Hình 1.2: Công nghệ RE dựng mô hình CAD cho các sản phẩm nghệ thuật

Hình 1.3: ứng dụng công nghệ RE lấy mẫu hoa văn thủ công

Công nghệ RE có vai trò rất lớn trong việc cải tiến mẫu md sản phẩm Yêu cầu về thời gian không cho phép chúng ta khi chế tạo 1 mẫu md mới có thể bắt đầu chu trình sản xuất từ khâu phác thảo thiết kế tới tính toán, tối ưu, chế thử, kiểm tra kiểm nghiệm mới đưa vào sản xuất Vì quá trình trên đòi hỏi tốn rất nhiều thời gian, công sức Do vậy mà chúng ta phải biết kế thừa từ các mẫu sản phẩm đd được tối ưu,

đạt các tiêu chuẩn kiểm tra, trên cơ sở đó ta thiết kế lại phù hợp với yêu cầu mới để

có được một mẫu md mới Như vậy sẽ giảm được thời gian thiết kế, rút ngắn thời gian đưa sản phẩm vào thị trường tức là giảm được thời gian của chu trình sản xuất Với nhu cầu của thị trường thay đổi liên tục từng ngày như hiện nay, công ty nào sớm đưa ra được mẫu md mới sẽ chiếm được thị phần và giành lợi nhuận cao nhất Công ty nào đưa ra sản phẩm mới chậm hơn sẽ không còn cơ hội thu được lợi nhuận cao Do vậy mà công nghệ tái tạo RE thực sự sẽ là trọng tâm của công nghệ thiết kế sản phẩm của tương lai

Page 17

Hình 1.4: ứng dụng công nghệ RE thiết kế lại sản phẩm cơ khí phức tạp

Công nghệ RE còn được sử dụng khi cần thay thế một chi tiết, bộ phận mà nhà sản xuất không còn cung cấp, chúng ta phải chế tạo lại chúng mà không hề có bản vẽ thiết kế Hay khi muốn sản xuất theo một mẫu md tối ưu trên thị trường mà nhà thiết kế ra chúng làm mất, làm hỏng, hoặc không muốn cung cấp tài liệu thiết

kế Đặc biệt là khi sản phẩm có hình dạng rất phức tạp, khó miêu tả như dạng hình người, hình con vật v.v

Trong khảo cổ học, công nghệ RE cho phép khôi phục hình dạng của các sinh vật thời tiền sử dựa trên các hoá thạch cổ thu được trong đất, đá, hay trong băng

mà không hề làm tổn hại hay phá hoại mẫu hoá thạch đó Công nghệ RE còn cho phép chúng ta tạo dựng lại các mẫu tượng cổ, khôi phục lại các công trình kiến trúc, nghệ thuật cổ đd bị tàn phá trong lịch sử

Hình 1.5: ứng dụng RE trong khảo cổ học

Trong y học công nghệ tái tạo cho phép chúng ta có thể tạo ra các bộ phận cơ thể phù hợp cho từng bệnh nhân trong thời gian ngắn để thay thế cho các khuyết tật,

Page 18

các bộ phận bị hỏng, bị tổn thương, bị hư hại do tai nạn hoặc do bẩm sinh như xương, khớp, răng hàm, mảnh sọ ndo.v.v

Hình 1.6: ứng dụng RE tạo mảnh sọ não trong y học

Trong thời trang, RE trợ giúp đắc lực cho các nhà thiết kế tạo các trang phục các mẫu md theo hình dáng con người

Công nghệ RE còn được ứng dụng rộng rdi trong lĩnh vực giải trí, mô phỏng như thiết kế các nhân vật trong Game 3D, tạo các môi trường giao diện ảo trong game phục vụ giải trí, làm phim ảnh hay mô phỏng một quá trình nào đó phục vụ cho một mục đích nào đó

Hình 1.7: Sử dụng RE thiết kế nhân vật và môi trường trong Game và phim hoạt hình

Công nghệ RE còn được áp dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác nũa Nói chung, ở đâu cần tái tạo đưa ra mô hình CAD thì ở có thể áp dụng công nghệ RE

Xu hướng của nền sản xuất hiện đại hướng đến tiêu chí JIT ( Just-In-Time: là tiêu

chí rút ngắn thời gian chế tạo sản phẩm) Với tiêu chí này, khoảng thời gian từ lúc

đặt hàng sản phẩm cho đến khi có sản phẩm thật đd được rút ngắn rất nhiều, có thể

Page 19

tính theo ngày, theo giờ thay vì tính theo quý, theo tháng hay theo tuần như trước kia Với tính ưu việt về thời gian và độ chính xác của mình, công nghê RE hứa hẹn sẽ là công nghệ thiết kế chủ đạo của nền sản xuất

ở Việt Nam, trong một số năm trở lại đây công nghệ RE cũng đd được áp dụng vào sản xuất Tuy nhiên phần lớn vẫn chưa mang tính chuyên nghiệp Ví dụ như các công ty sản xuất, chế tao khuôn cho các mặt hàng nhựa, cơ khí thường khi nhận các đơn đặt hàng của các đối tác làm một bộ khuôn cho một mẫu sản phẩm cho trước thì đa số việc số hoá mô hình lấy dữ liệu đều thực hiện một cách thủ công,

đo vẽ bằng tay Việc ứng dụng các thiết bị số hoá công nghệ cao chuyên dụng, các phần mềm thiết kế ngược vẫn chưa nhiều Chỉ có ở một số ít công ty có thể làm theo hợp đồng như công ty Hoàng Quốc, hay các viện, các trường đại học như Học Viện

Kỹ Thuật Quân Sự, Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, Đại học Cần Thơ có máy quét 3D hiện đại của hdng Konica nhưng chủ yếu vẫn là phục vụ cho học tập, nghiên cứu

1.2.Quy trình công nghệ thiết kế ngược

Quy trình công nghệ của thiết kế thuận và thiết kế ngược được thể hiện như hình 1-8

Trong quy trình thiết kế thuận, xuất phát từ ý tưởng thiết kế (của người thiết

kế hoặc của khách hàng mô tả sản phẩm), người thiết kế phác thảo sơ bộ sản phẩm (bản vẽ CAD) Bản vẽ phác thảo này sẽ được tính toán, phân tích, kiểm tra các thông

số kỹ thuật, tính công nghệ (Dữ liệu được chuyển từ CAD sang CAE) Sau đó mô hình sẽ được tối ưu hoá đưa ra bản vẽ thiết kế (bản vẽ CAD) hoàn chỉnh Tiếp theo qua các bước chuẩn bị công nghệ (CAPP), lập trình gia công (CAM), mô phỏng và chế tạo thử mẫu sản phẩm bằng phương pháp tạo mẫu nhanh (RP) hoặc trên các máy công cụ, máy CNC Mẫu sản phẩm chế thử này sẽ được đem đi kiểm tra thực tế xem có thoả mdn các yêu cầu đặt ra hay không Nếu không đạt thì sẽ quay về chỉnh sửa lại từ bản vẽ phác thảo.Tiếp tục quá trình trên cho tới khi mẫu sản phẩm đạt yêu cầu thì mới đưa vào sản xuất thực sự

Page 20

Hình 1.8: So sánh quy trình công nghệ thiết kế thuận và thiết kế ngược

Khác với thiết kế thuận, điểm xuất phát của quy trình thiết kế ngược là từ một mẫu sản phảm thực tế Mẫu sản phẩm thực này được số hoá và xử lý bằng các thiết bị và phần mềm chuyên dụng để xây dựng lên mô hình CAD Sau khi có được mô hình CAD cho sản phẩm rồi thì các công đoạn tiếp theo cũng giống như chu trình sản xuất thuận trải qua các bước tính toán, phân tích, tối ưu hoá trên các phần mềm CAE/CAM, chuẩn bị công nghệ (CAPP), gia công tạo mẫu nhanh hoặc lập trình gia công trên các máy CNC hay các máy công cụ khác, kiểm tra thực tế cuối cùng mới đưa vào sản xuất đại trà

Như vậy điểm khác biệt và mấu chốt của công nghệ thiết kế ngược so với thiết kế thuận nằm chủ yếu ở 2 bước:

Page 21

- Số hóa sản phẩm

- Xử lý dữ liệu số hóa

các bước công nghệ khác của 2 phương pháp sản xuất này là tương tự nhau

1.3.Thiết bị số hóa sản phẩm trong công nghệ thiết kế ngược

Bản chất của bước số hóa sản phẩm của công nghệ thiết kế ngược là người ta

sử dụng nhiều thiết bị, với nhiều phương pháp khác nhau để tiến hành thu thập các thông tin, dữ liệu cần thiết về hình dáng và kích thước của vật thể Dữ liệu thu được sau bước này là tập hợp các đám mây điểm tạo lên hình dáng của vật thể Từ các

đám mây điểm này là cơ sở để dựng lại mô hình 3D cho vật thể bằng các phầm mềm chuyên dụng

Các thiết bị số hóa sản phẩm trong công nghệ RE được gọi là máy đo tọa độ

3 chiều (Coordinate Mesuring Maschine – CMM) Thiết bị này thực hiện việc đo

Năm 1959, hdng Bendix của Mỹ đạt được thỏa thuận để bán những chiếc máy Ferranti CMM ở thị trường Bắc Mỹ Máy đo tọa độ Ferranti được hdng Bendix trưng bày tại triển ldm máy công cụ quốc tế Chicago vào năm 1960

Máy đo tọa độ Ferranti được bán đầu tiên cho công ty Western Electric cũa

Mỹ Bằng việc thay thế các kĩ thuật kiểm tra truyền thống bằng máy CMM, thời gian kiểm tra chi tiết sau gia công đd giảm từ 20 phút xuống còn 1 phút Sự ưu việt

Thị trường máy CMM ngày càng phát triển mạnh mẽ với sự tham gia của nhiều công ty lớn trên thế giới Năm 1965, tập đoàn DEA (Digital Electronic Automation) của Italia sản xuất ra chiếc máy CMM 3D điều khiển bằng tay để kiểm tra các mẫu chi tiết Năm 1973, DEA chế tạo thành công máy CMM tự động đầu tiên

Năm 1968, hdng Mitutoyo của Nhật thiết kế thành công máy đo trong mặt phẳng x – y Sau đó là CMM đo được cả phương z Năm 1980, Mitutoyo giới thiệu

Page 23

chiếc máy CMM đầu tiên được điều khiển bởi máy tính (Direct Computer Control Coordinate Measuring Machine – DCC CMM)

Năm 1973 hdng Carl Zeiss của Đức giới thiệu máy CMM vạn năng đầu tiên

được trang bị đầu dò 3D, từ đó mở ra khả năng dò quét liên tục trong việc kiểm tra chi tiết gia công Năm 1978, Carl Zeiss tiếp tục cho ra đời máy CMM WMM850 trang bị đầu dò dạng kích chạm có gắn cảm biến áp điện (piezo – electric sensor)

Đầu dò trên cho phép máy đạt độ chính xác cao hơn, đồng thời giá thành rẻ hơn so với các máy CMM trước đó Năm 1982 Carl Zeiss cho ra đời ZMC 550, chiếc máy CMM đầu tiên được thiết kế để đo lường bánh răng và hệ thống truyền động trong các thiết bị

Năm 1985 Carl Zeiss và Sheffield chế tạo những máy CMM đầu tiên có phần mềm bù trừ sai số Kĩ thuật bù trừ sai số bằng phần mềm đd mở ra hướng phát triển mới cho các máy CMM hiện đại

Năm 1989 Carl Zeiss giới thiệu máy UPMC 850 CARAT với độ ổn định

đường dẫn hướng được nâng cao

Bên cạnh các sản phẩm đd được thương mại hóa như đd trình ở trên thì việc nghiên cứu nhằm nâng cao độ chính xác của máy đo CMM còn được thể hiện qua nhiều luận án tiến sĩ Từ năm 1997 đến nay, các nghiên cứu này tập trung vào các nguyên lý mới để có thể chế tạo các máy đo tọa độ có độ chính xác cao, cực cao và

độ chính xác cỡ nano

Page 24

Các đại học ở Đài Loan nghiên cứu ứng dụng máy đo tọa độ để phát triển nhanh công nghiệp sản xuất khuôn mẫu Trường đại học North Canolin, Mỹ lại quan tâm đến các giải pháp giảm sai số động học của máy, cũng như phát triển Video CMM Trường Đại học Windson của Canada lại nghiên cứu đến hoạch định quỹ đạo của đầu dò khi đo các bề mặt phức tạp, Viện nghiên cứu kỹ thuật công nghệ của Hàn Quốc lại tập trung cho việc hiệu chỉnh các sai số

Nói tóm lại, cho đến thời điểm này đd có khoảng 30 luận án tiến sĩ nghiên cứu về máy đo tọa độ Những nghiên cứu này được khoảng 30 hdng, công ty thương mại hóa và tạo ra thị trường các loại máy đo rất đa dạng Bản thân các hdng, công ty không ngừng nghiên cứu để hoàn thiện và nâng cao tính năng hoạt động của thiết bị Các máy đo tọa độ phát triển từ cơ khí hóa đến tự động hóa với nhiều kiểu khác nhau và hiện nay được điều khiển bằng máy tính làm tăng độ linh hoạt của thiết bị

Page 25

- Dựa vào kích thước

- Dựa vào kết cấu

- Dựa vào phương pháp đo

a Dựa vào kích thước máy:

Máy CMM có rất nhiều kích cỡ tùy thuộc vào mục đích đo, đối tượng đo và

độ chính xác cần đạt được Dựa vào kích thước máy có thể phân CMM thành ba loại:

- CMM kích thước rất lớn: đối tượng đo là ô tô, cánh máy bay,…

Page 26

Hình 1.15: Nano CMM F25 của hãng Carl Zeiss

b Dựa vào kiểu máy

Về kết cấu, máy CMM gồm nhiều loại: tay gấp (artigulated arm), kiểu cầu (bridge), kiểu công xôn (cantilever), kiểu giàn (gantry) hay trục ngang (horizonal arm)

- Kiểu tay gấp thường là loại máy nhỏ cầm tay, cho phép đầu dò xoay đặt theo nhiều hướng khác nhau

- Máy kiểu cầu là loại có trục đo được lắp thẳng đứng với một dầm ngang đặt trên 2 ụ đỡ Máy đo kiểu cầu (theo trục X) giúp mở rộng phạm vi của vật thể đo

Đây là kiểu máy phổ biến hiện nay

Page 27

Hình 1.16: Máy CMM kiểu tay gấp (Artigulated arm)

Hình 1.17: Sử dụng máy đo CMM kiểu tay gấp để quét vật mẫu

Page 28

Hình 1.18: Máy CMM dạng cầu (Bridge)

- Với máy đo kiểu công xôn, đây là các máy CMM có kích cỡ nhỏ nhất, chiếm ít không gian lắp đặt nhất

Hình 1.19: CMM kiểm công xôn

Page 29

- Máy kiểu giàn có kết cấu khung treo trên các ụ đỡ để có thể mở rộng pham

vị trên các vật được đo Các máy đo kiểu giàn có cấu trúc tương tự như thiết kế kiểu cầu

Hình 1.20: Máy CMM kiểu giàn (Gantry)

- Đối với máy đo kiểu trục ngang, trục lắp đầu dò được đặt ngang chìa ra, một đầu gắn trên giá đỡ thẳng đứng có thể dịch chuyển được

Ưu điểm của phương pháp đo tiếp xúc là:

- Độ chính xác cao do nguyên tắc đo từng điểm Hoặt động của máy theo nguyên tắc hành trình nên máy có độ chính xác đến phần vạn (0,1 àm - 0,5 àm)

- Tính tự động hóa cao: Có thể đo tự động trong cả quá trình đo

- Dữ liệu thu được có tính trật tự cao và thường được lưu với các định dạng tiêu chuẩn như IGS, Step, Stl thích hợp với các phần mềm thiết kế 3D

- Dễ xử lý kết quả đo: Kết quả đo là tập hợp các đường curve thuận lợi tạo các mặt trên các phần mềm thiết kế 3D

- Đầu đo đa dạng phù hợp với các đối tượng đo

Page 31

Tuy nhiên phương pháp đo này cũng có những hạn chế nhất định:

- Hạn chế trong việc đo các rdnh hẹp, cạnh sắc, có kích thước nhỏ hơn bán kính đầu đo, các lỗ sâu hơn chiều dài đầu đo

- Tốc độ đo không cao: chỉ từ 10 đến 1000 điểm/ phút, chậm hơn nhiều so với công nghệ scan laser

Hình 1.22: Đầu dò đo bằng phương pháp tiếp xúc

Để khắc phục các nhược điểm trên, người ra đd chế tạo ra các máy đo không tiếp xúc dùng Laser, tia X, siêu âm, video

Phương pháp đo không tiếp xúc là phương pháp dùng các tia quang học (laser, tia X ) để đo hoặc chụp ảnh bề mặt vật cần đo, sau đó dữ liệu được xử lý, hoàn thiện nhờ các phần mềm xử lý ảnh chuyên nghiệp Nguyên lý của đầu đo không tiếp xúc được thể hiện như Hình 1.10

So với phương pháp đo tiếp xúc, phương pháp đo không tiếp xúc cho những

- Đo được các rdnh có kích thước hẹp, các vật thể mềm dễ bị biến dạng

Tuy nhiên song song với đó nó cũng có những hạn chế riêng:

Page 32

- Độ chính xác bị ảnh hưởng bởi độ bóng, màu sắc bề mặt cần đo

- Tọa độ các điểm đo được không có tính trật tự gây khó khăn cho bước xử lý dữ liệu

Hình 1.23: Nguyên lý hoạt động của đầu đo không tiếp xúc

1.3.3.Cấu tạo cơ bản của máy CMM

Tương tự như các hệ thống cơ điện tử khác, một máy đo tọa độ hiện đại bao gồm hai thành phần cơ bản là phần cứng và phần mềm, mỗi thành phần có nhiều module với các chức năng khác nhau hình 1-24

Phần cứng của một máy đo tọa độ thường bao gồm các bộ phận sau:

- Cấu trúc cơ khí, phần mềm điều khiển đo, bộ điều khiển

Sơ đồ các thành phần cơ bản của máy đo tọa độ CMM được trình bày ở hình 1-25 Việc thiết kế, phân tích, tính toán các thành phần này sẽ được trình bày ở các chương sau

Page 33

Hình 1.24: Mô hình các thành phần cơ bản của một hệ thống CMM hiện đại

Hình 1.25: L−ợc đồ các thành phân cơ bản của máy đo tọa độ

Tóm lại, thiết bị đo tọa độ CMM là một thiết bị quan trọng không thể thiếu trong công nghệ thiết kế ng−ợc Nếu không có thiết bị này, chúng ta không thể số

đo tọa độ 3 chiều CNC Đề tài cấp thành phố đd triển khai ứng dụng máy đo tọa độ 3 chiều CNC để thiết kế chế tạo nhanh khuôn mẫu nhựa

Một số trường cao đẳng dạy nghề có đầu tư máy đo tọa độ 3 chiều Các Viện nghiên cứu như Viện công nghệ, viện IMI cũng nghiên cứu áp dụng máy đo tọa độ như tay đo để tái tạo bản vẽ chi tiết

Đặc biệt hiện nay là các doanh nghiệp sản xuất sản phẩm nhựa ở Thành phố

Hồ Chí Minh đd mạnh dạn đầu tư các thiết bị này đề thiết kế nhanh sản phẩm cũng như thiết kế nhanh khuôn mẫu nhựa tương ứng là những bước đi quan trọng để đáp ứng nhu cầu của xd hội cũng như nắm vững kỹ thuật khai thác máy đo tọa độ 3 chiều

1.4.Xử lý dữ liệu sau khi quét mẫu

Sau giai đoạn số hóa vật mẫu bằng các thiết bị đo, dữ liệu thu được là một tập hợp các tọa độ của các điểm Các phầm mềm CAD chưa thể xử lý được các dữ liệu này Để có thể tiến hành chỉnh sửa mô hình vật mẫu trên các phần mềm thiết kế CAD, người ta phải xây dựng lại mô hình từ các dữ liệu đd thu thập được Nhờ vào các phần mềm chuyên dụng, người ta sẽ dựng lại các bề mặt của vật thể dựa vào tập hợp các dữ liệu scan đd thu thập được Công việc này được thực hiện qua nhiều bước, thể hiện như hình 1.26

Page 35

Hình 1.26: Các bước xử lý dữ liệu scan

- Xử lý đám mây điểm: ở bước này người ta loại bỏ bớt những điểm dư thừa

không cần thiết, những điểm lỗi, bất hợp lý, xóa các khuyết tật của vật mẫu Đồng thời nội suy để tối ưu hóa số điểm (giảm số điểm ở vùng phẳng, tăng số điểm ở cùng cong)

- Tạo và hiệu chỉnh lưới tam giác:Bằng cách nối các điểm cạnh nhau để tạo

thành các hình tam giác Tùy vào mức độ chính xác của mấu quét mà mật độ các

đám mây điểm cũng khác nhau Những phần gấp khúc, lồi lõm hay những phần giao nhau của các bề mặt thường có mật độ điểm dày hơn Còn những mặt phẳng trơn thì

có mật độ điểm thưa hơn Do đó khi xây dựng lưới tam giác ở những vùng khác

Page 36

nhau thì chúng ta có mật độ tam giác cũng khác nhau, tùy thuộc vào độ phân giải của từng vùng

Hình 1.27: Xử lý xóa các điểm nhiễu ở đám mấy điểm

Hình 1.28: Tạo và hiệu chỉnh lưới tam giác

- Xây dựng bề mặt: Từ các lưới tam giác đd được dựng, các bề mặt sẽ được xây dựng Tùy vào từng trường hợp mà các bệ mặt có thể được tạo từ các dạnh hình

Page 37

học cơ bản hay từ các đường cong trơn NURBS Sau khi kết thúc bước này, ta đd có

được mô hình CAD của vật mẫu và có thể thực hiện chỉnh sửa, thiết kế bằng các chương trình CAD/CAM thông thường trước khi đem đi sản xuất

Hiện nay có rất nhiều phần mềm xử lý các đám mây điểm, thường thì các phần mềm này đi đồng bộ với thiết bị CMM và do nhà sản xuất máy phát triển Một

số phần mềm phổ biến hiện nay đó là: Rapid Form, Geomagic, Solid Edge Các phần mềm có thể khác nhau về giao diện sử dụng nhưng nhìn chung về các bước xử

lý dữ liệu để cuối cùng đưa ra được mô hình 3D của sản phẩm là giống nhau

Trong giới hạn nghiên cứu: nghiên cứu thiết kế công cụ quét 3D, luận văn sẽ không đi sâu vào nghiên cứu các phần mềm xử lý dữ liệu

Kết luận:

Từ khi ra đời cho đến nay, với sự trợ giúp của kỹ thuật số, công nghệ thiết kế ngược đd có những bước phát triển lớn Với những ưu điểm của mình, công nghệ thiết kế ngược ngày càng được áp dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống Tuy nhiên các thiết bị phục vụ công tác thiết kế ngược, đặc biệt là các công cụ số hóa 3D vẫn có giá thành khá cao khiến nhiều đơn vị không có điều kiện để tiếp cận công nghệ mới này Trong chương tiếp theo của luận văn này sẽ trình bày một giải pháp thiết kế, chế tạo công cụ quét 3D với giá thành mà các đơn vị nhỏ có thể tiếp cận

Page 38

Chương 2 : thiết kế công cụ quét 3d sử dụng cảm biến

laser đo DịCH CHUYểN

Trong khuôn khổ của luận văn tốt nghiệp, do hạn chế về thời gian và tài chính nên yêu cầu đặt ra đối với máy không thể quá khắt khe Luận văn chủ yếu sử dụng những thiết bị hiện có để có thể xây dựng lên một máy quét 3D với chi phí nhỏ nhất có thể Thiết bị hiện có ở đây là cảm biến Laser đo khoảng cách ZX-LD30V,

bộ khuyết đại tín hiệu ZX-LDA11, máy vi tính cá nhân

Để thiết kế một máy quét 3D ta cần quan tâm đến các vấn đề sau:

- Giới hạn đối tượng đo

- Lựa chọn đầu đo

- Thiết kế cấu trúc máy

- Hệ thống truyền động

- Hệ thống điều khiển

- Phần mềm điều khiển

2.1.Giới hạn đối tượng quét

Do sự hạn chế của khoảng đo của đầu dò (trình bày ở mục sau) Nên giới hạn

đối tượng quét là các bề mặt có tọa độ Z của điểm cao nhất và của điểm thấp nhất chênh nhau không quá 4mm Kích thước theo 2 chiều X,Y không quá 200mm

2.2.Đầu do sử dụng cảm biến ZX-LD30V

Như đd đề cập ở trên, đề tài sẽ sử dụng những thiết bị hiện có để chế tạo máy quét 3D Trong trường hợp này, đầu dò của máy sẽ sử dụng cảm biến laser ZX-LD30V Cảm biến ZX-LD30V là cảm biến đo khoảng cách sử dụng tia laser do hdng Omron – Nhật Bản chế tạo Cảm biến sử dụng tia laser bước sóng 650nm chiếu vào vật thể rồi dựa vào tia phản xạ để tính toán được khoảng cách giữa cảm biến và vật thể Hình dạng, kích thước lắp đặt của cảm biến được thể hiện ở hình 2.1: