Luận văn Thiết Kế, Chế Tạo Và Thử Nghiệm Thiết Bị Đo Biên Dạng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Hình 2: Sơ đồ hóa mô hình các bước thiết kế thử nghiệm chầy dập vuốt cho một chặng công nghệ cụ thể Việc đo vẽ thủ công t

Trang 1

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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

LÝ THANH MINH

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ ĐO BIÊN DẠNG THEO NGUYÊN TẮC

SỐ HÓA KIỂU ROBOT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HD KHOA HỌC: PGS.TS.PHẠM THÀNH LONG

Thái Nguyên, tháng 12-2015

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên: Lý Thanh Minh

Học viên: Lớp cao học K15 CTM, Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên

Nơi công tác: Công ty TNHH MTV Cơ khí hóa chất 13

Tên đề tài luận văn thạc sỹ: "Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị số hóa biên dạng kiểu ROBOT"

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Thái Nguyên, ngày 04 tháng 12 năm 2015

HỌC VIÊN

Lý Thanh Minh

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HD KHOA HỌC

TRƯỞNG KHOA

PHÒNG ĐÀO TẠO

Thái Nguyên, tháng 12-2015

Trang 3

LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học và làm đề tài thạc sỹ, em đã nhận được sự truyền đạt về kiến thức, phương pháp tư duy, phương pháp luận của các giảng viên trong trường

Sự quan tâm rất lớn của Nhà trường, khoa Cơ khí, các thầy cô giáo trường Đại Học

Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên và các bạn cùng lớp

Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, khoa Đào tạo Sau đại học, các thầy cô giáo tham gia giảng dạy đã tận tình hướng dẫn tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn này

Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS Phạm Thành Long

và tập thể cán bộ giảng viên Bộ môn Cơ điện tử, Hội đồng bảo vệ đề cương thạc sỹ khóa K15 CTM đã cho những chỉ dẫn quý báu để em hoàn thành luận văn này

Em cũng xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp của các của bạn đồng nghiệp của Phòng Cơ điện và sự giúp đỡ nhiệt tình của Phân xưởng A2 Công ty TNHH MTV Cơ khí hóa chất 13 đã phối hợp gia công thiết bị Các đồng nghiệp của Công ty Tự động hóa Tâm Phát đã phối hợp với em trong xây dựng phần mềm của thiết bị

Mặc dù đã cố gắng song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong muốn sẽ nhận được những chỉ dẫn từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa hơn nữa trong thực tiễn

Xin chân thành cảm ơn!

HỌC VIÊN

Lý Thanh Minh

Trang 4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

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

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 3

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4

a) Ý nghĩa khoa học 4

b) Ý nghĩa thực tiễn 4

4 Phương pháp và phương pháp luận 4

a) Phương pháp nghiên cứu 4

b) Phương pháp luận 5

5 Nội dung của đề tài 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT THEO KỸ THUẬT NGƯỢC 6

1.1 Thiết kế ngược và sản xuất theo kỹ thuật ngược 6

1.2 Một số kỹ thuật và thiết bị đo lường hiện đại trong thiết kế ngược 10

1.3 Một số nghiên cứu ở Việt Nam có liên quan đến đề tài 13

1.4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 14

1.5 Kết luận chương 1 14

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÁY 16

2.1 Xác định đặc tính kỹ thuật của máy 16

2.1.1 Khái quát các đặc điểm của họ chi tiết cần đo 16

2.1.2 Đặc tính kỹ thuật của máy đo 17

2.2 Cơ sở thiết kế 18

2.2.1 Sơ đồ chuyển đổi tọa độ điểm giữa các không gian 18

2.2.2 Bài toán ngược về độ phân giải của Encoder (số xung /1 vòng quay) 20

2.2.3 Xác định sơ bộ sơ đồ động học máy đo 29

Trang 5

2.2.4 Xác định sơ đồ liên kết cơ điện tử 29

2.3 Phương pháp tính tọa độ điểm đo của máy theo phương pháp hình học 31

2.3.1 Xác định tọa độ khởi điểm của đầu đo (khi set X, Y: 0,0) 31

2.3.2 Xác định tọa độ của đầu đo tại vị trí thứ i 33

2.3.3 Độ phân giải hai điểm đo liên tiếp 34

2.4 Lựa chọn kiểu đầu đo, chuẩn định chi tiết đo 35

2.4.1 Lựa chọn kiểu đầu đo 36

2.4.2 Chuẩn định vị chi tiết đo 37

2.5 Kiểm định thông số của thiết bị bị đo theo phương pháp hình học và mô hình tính toán để làm cơ sở xây dựng phần mềm xác định tọa độ điểm đo 37

2.5.1 Kết quả tính các thông số thiết bị khi set (0,0) ( trên Excel) 39

2.5.2 Kết quả tính độ phân giải của thiết bị tại vị trí B1 40

2.5.6 Lựa chọn dung sai các chiều dài khâu và dung sai đường kính đầu đo khi nhập vào phần mềm của máy đo 53

2.5.7 Ảnh hưởng số xung của Encoder đến độ phân giải của tính bị 56

2.5.8 Cấu hình phần cứng của máy 57

2.6 Phầm mềm của máy 57

2.6.1 Mục tiêu của phần mềm 57

2.6.2 Xác định sai số bằng phương pháp nội suy sử dụng hàm định dạng 57

2.6.3 Chế thử, nghiên cứu xác định mẫu mực thiết kế phần mềm 62

2.6.4 Phân tích kết quả đo, các giải pháp hồi quy profin đo, giải pháp về sai số 63

2.7 Lựa chọn các chi tiết khác của máy đo 70

2.7.1 Ổ lăn: 70

2.7.2 Thông số của các linh kiện điện tử 76

2.8 Bản vẽ chế tạo sản phẩm 78

2.9 Hướng dẫn sử dụng 78

CHƯƠNG 3: ĐO VÀ ĐÁNH GIÁ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM 80

3.1 Nội dung đánh giá, thiết bị đánh giá 80

Trang 6

3.1.1 Đánh giá “độ chính xác lặp lại phép đo” của máy 80

3.1.2 Đánh giá “sai số tương đối theo đường kính” so với phương pháp đo hiện đang áp dụng tại cơ sở (Công ty TNHH MTV Cơ khí hóa chất 13) 80

3.1.3 Thiết bị đánh giá 81

3.2 Kết quả đánh giá “độ chính xác lặp lại phép đo” bằng phương pháp Quy hoạch thực nghiệm 83

3.2.1 Xác định số lần đo 83

3.2.2 Kết quả đo 83

3.3 Kết quả đánh giá “sai số tương đối theo đường kính” 87

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 88

4.1 Kết luận 88

4.2 Kiến nghị 88 CÁC TÀI LIỆU ĐÍNH KÈM

- Hướng dẫn sử dụng

- Code Printed PLC

- Code Printed PC

- Bản vẽ chế tạo sản phẩm

- Kết qủa đo của phòng LAB

- Bài báo đăng trên Tạp chí Khoa học Việt Nam " Thiết kế, chế tạo và ứng dụng máy đo PCMM kiểu ROBOT"

Trang 7

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

1 PCMM Portable Coodianate Measure Machine

13 x(t) Quỹ đạo đầu đo trong không gian công tác

14 q(t) Quỹ đạo đầu đo trong không gian khớp

Trang 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

Hình 1: Sơ đồ hóa mô hình thiết kế từ mẫu đến triển khai các bước công nghệ 1

Hình 2: Sơ đồ hóa mô hình các bước thiết kế thử nghiệm chầy dập (vuốt) cho một chặng công nghệ cụ thể 2

Hình 1.1: Minh họa quy trình sản xuất ngược 9

Hình 1.2: Rapidform - phần mềm hàng đầu trong thiết kế ngược 9

Hình 1.3: Quét 3D với các điểm đánh dấu trên bề mặt 10

Hình 1.4: Quét laser không tiếp xúc 10

Hình 1.5: Robot PCMM và hệ thống công nghệ 11

Hình 1.6: Máy CMM để bàn kiểu shop floor 11

Hình 1.7: Máy CMM cấu trúc dạng khung 11

Hình 1.8: Máy CMM cấu trúc đứng 12

Hình 1.9: Một số kiểu đầu đo khác nhau của máy CMM 12

2.1:Mặt hypeboloid tròn xoay 16

2.2: Sơ đồ hệ thống công nghệ và sơ đồ chuyển đổi tọa độ 18

2.3: Sơ đồ động học xác định độ phân giải của Encoder 20

2.4: Chuyển động với bước bé nhất của đầu đo giữa hai điểm trong không gian 22

2.5: Vùng làm việc của máy 24

2.6: Sơ đồ chia lưới khảo sát lựa chọn Encoder 24

2.7: Bước dịch chuyển nhỏ nhất mà đầu đo phát hiện xung quanh điểm khảo sát 25

nh 2.8: Sơ đồ động học máy đo 29

2.9: Sơ đồ mô tả thực hiện quá trình đo 30

2.10: Sơ đồ liên kết Cơ - Điện tử của máy đo 31

2.11: Sơ đồ tính tọa độ đo khởi điểm (điểm set 0,0) 32

2.12: Sơ đồ tính tọa độ của điểm đo 33

2.13: Sơ đồ tính độ phân giải giữa hai điểm đo liên tiếp 35

2.14: Mô hình động học khi sử dụng đầu đo hình cầu 36

2.15: Các dạng sai số do gá chi tiết xẩy ra trong trườnghợp sử dụng đầu đo cầu 36

2.16: Mô hình động học khi sử dụng đàu đo hình trụ 37

2.17: Không xuất hiện các dạng sai số do gá chi tiết xẩy ra trong trường 37

2.18: Không gian làm việc của máy đo 38

2.19: Sơ đồ tính các thông số ban đầu của 39

2.20: Sơ đồ tính độ phân giải tại điểm B1 40

Trang 9

2.24: Các dạng sai số chế tạo khâu robot 58

2.25: a Sơ đồ chia lưới không gian công tác trên mặt chiếu đứng và chiếu bằng 61

2.26: Sơ đồ mô phỏng điểm đo 62

2.27: Sơ đồ mô phỏng biên dạng đo đã được hồi quy (làm mịn) 63

2.28: Sự khác nhau của phân tố nội suy khi mật độ điểm mẫu khác nhau 64

2.29: Biên dạng phóng đại nhận được qua phép đo tiếp xúc 65

2.30: Kết quả đo ban đầu chưa qua xử lý 66

2.31: Kết quả đo xử lý 3 vòng lặp (đen – đỏ - xanh) 66

2.32: Biên dạng đã xử lý hoàn thiện với 1000 vòng lặp (đường pline màu đỏ) 67

2.33: Sơ đồ lấy trung bình tọa độ đo 67

2.34: Sơ đồ giải thuật lấy tọa độ điểm trung bình khi mịn hóa 68

2.35: Cài bổ sung các file công cụ vào excel 69

2.36: Giao diện add in ứng dụng didg.xla vào excel 70

2.37: Giao diện của file LamMinBienDang 70

2.38: Cách sử dụng kết quả tính toán dung sai 71

2.39: 6 điểm xê dịch cho phép của khâu cuối trong phạm vi mặt cầu giới hạn sai số 72

2.40: Khe hở hướng kính:δ ; khe hở dọc trục: δ1+δ2 74

2.41: Encoder E40S6 -5000 - 3 - T -24 77

2.42: PLC CP1L của Omron 77

2.43: Cổng chuyển đổi USB sang RS232 78

3.1: Máy phóng hình 50 lần JT3-D 82

3.2: Máy hiển vi vạn năng JX13B 83

3.3: Sơ đồ đo chi tiết dạng 1 84

Trang 10

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 2.1: Kết quả tính toán cảm biến bằng phương pháp số trong miền làm việc 25

2.2: lọc các cực theo yêu cầu 29

2.3:Các thông số của thiết bị 38

2.4: Bảng tính các thông số ban đầu của thiết bị khi set 0,0 39

2.5: Các thông số của thiết bị tại vị trí đo B1.1 41

2.6: Bảng tính các thông số của đầu đo khi đo B1.1 + thêm 1 xung của E1 42 2.7: Các thông số của thiết bị tại vị trí đo B2.2 44

2.8: Bảng tính các thông số của đầu đo khi đo B2.2 + thêm 1 xung của E1 45 2.9: Các thông số của thiết bị tại vị trí đo B3.3 47

2.10: Bảng tính các thông số của đầu đo khi đo B3.3 + thêm 1 xung của E148 2.11: Các thông số của thiết bị tại vị trí đo B4.4 50

2.12: Bảng tính các thông số của đầu đo khi đo B4.4 + thêm 1 xung của E152 2.13: Các thông số chính của thiết bị 53

2.14:Các thông số của thiết bị với giá trị Max 54

2.15: Các thông số của thiết bị tại vị trí đo B3.3 Max 54

2.16 Các thông số của thiết bị với giá trị min 55

2.17: Các thông số của thiết bị tại vị trí đo B3.3 Min 55

2.18: Khoảng cách max từ điểm đo B3.3 đến gốc 0,0 56

2.19: Khoảng cách min từ điểm đo B3.3 đến gốc 0,0 56

2.20: Bộ thông số kỹ thuật của máy 57

2.21: Trích một đoạn biên dạng đo được dưới dạng text 63

2.22: Bảng DH của tay đo PCMM hai khâu 71

2.23: Kết quả khảo sát dung sai chiều dài khâu tại các điểm khác nhau theo GRG [3] 72

2.24: Ký hiệu phụ về khe hở của vòng bi 75

2.25: Radial internal clearances in deep groove ball bearings 76

3.1: Bảng kết quả đo chi tiết dạng 1 84

Trang 11

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Thiết kế ngược được áp dụng khá nhiều trong thiết kế sản phẩm, dụng cụ cho các nguyên công dập vuốt có biến mỏng thành từ phôi tấm tại Công ty TNHH MTV Cơ khí hoá chất 13 Tuy nhiên đến nay quá trình này hiện tại vẫn sử dụng

phương pháp truyền thống, do vậy quá trình thực hiện gồm: "Tái tạo hình dạng chi tiết, thiết kế các bước công nghệ, thiết kế dụng cụ dập vuốt, dưỡng kiểm đến tổ chức triển khai chế thử" khá tốn kém và kéo dài bởi các lý do sau:

- Thiết kế ngược để tái tạo hình dạng chi tiết: Theo phương pháp đo vẽ thủ công nên khó chính xác, phụ thuộc tay nghề do vậy phải thử nghiệm nhiều lần

- Để đạt sản phẩm cuối cùng cần qua nhiều nguyên công, dụng cụ của mỗi nguyên công có biên dạng khác nhau Để đạt được biên dạng tối ưu cũng như chất lượng sản phẩm của mỗi bước công nghệ phải qua nhiều lần thử nghiệm, biên dạng dụng cụ cuối cùng là kết quả được tái tạo từ biên dạng thực tế

- Mỗi lần thử nghiệm phải triển khai rất nhiều công việc đo kiểm và thiết kế lại

dụng cụ, thiết kế dưỡng kiểm dụng cụ, thiết kế dưỡng đối kiểm dưỡng kiểm, tiến

hành chế tạo

Hình 1: Sơ đồ hóa mô hình thiết kế từ mẫu đến triển khai các bước công nghệ

Trang 12

Hình 2: Sơ đồ hóa mô hình các bước thiết kế thử nghiệm chầy dập (vuốt) cho một chặng

công nghệ cụ thể

Việc đo vẽ thủ công thuộc phạm vi thiết kế truyền thống nên những nỗ lực về thiết kế không được kế thừa, phát triển tiếp ở bước gia công khi thực hiện trên các máy CNC, việc thể hiện dữ liệu dưới dạng số còn liên quan đến các hỗ trợ hoạch định quá trình công nghệ tự động trên máy tính (CAPP-computer Aided process planing) giảm được nhiều công sức so với làm công nghệ bằng tay truyền thống Trên thế giới phương pháp thiết kế ngược thông qua số hóa bề mặt mẫu bằng thiết bị đo tọa độ CMM được áp dụng phổ biến Ưu điểm của phương pháp này là cho phép thiết kế nhanh, chính xác kể cả các chi tiết bề mặt có biên dạng phức tạp (không xác định được quy luật tạo hình) Phương pháp thiết kế ngược cũng có ưu điểm đối với thiết kế các chi tiết mà bề mặt có quy luật tạo hình nhưng không xác định được thông số thiết kế, chẳng hạn các chi tiết có bề mặt xoắn như cánh tuabin,

bề mặt thủy động học, khí động học

Trong thời gian gần đây trong nước đã có các loại thiết bị tự động đo quét tọa

độ 3D, kỹ thuật thiết kế ngược cũng đã được nghiên cứu áp dụng tại một số nơi như: doanh nghiệp, viện nghiên cứu, trường học…, tuy nhiên việc ứng dụng có

Trang 13

hiệu quả giải pháp kỹ thuật mới này vẫn còn nhiều vấn đề cần phải xem xét, đặc biệt là hiệu quả kinh tế do chi phí đầu tư

Đối với Công ty TNHH MTV Cơ khí hoá chất 13 hiện tại chưa đủ điều kiện đầu

tư trang bị thiết bị nêu trên Trên cơ sở các kỹ thuật về robot có thể số hóa các biên dạng phức tạp bằng cách giám sát tín hiệu của các cảm biến gắn tại từng trục khớp khi cho một đầu dò di chuyển trên biên dạng chi tiết cần đo, dữ liệu tái tạo được thể hiện theo định dạng *.dwg để tiện cho việc liên kết với máy công cụ điều khiển

số khi gia công, nó cho phép thay thế cho phương pháp thiết kế truyền thống như hiện nay, góp phần nâng cao độ chính xác thiết kế và rút ngắn quá trình gia công thử nghiệm dụng cụ và sản phẩm

Từ các phân tích nêu trên vấn được đề đặt ra là chế tạo một thiết bị có cấu hình đơn giản, có khả năng tự chế tạo đáp ứng được công việc "thiết kế ngược" từ các sản phẩm sẵn có hoặc thay thế việc chế tạo các dụng cụ kiểm, dưỡng kiểm trong quá trình chế thử để xác định mẫu mực sản phẩm, thay vì các phương pháp truyền thống trước đây mà không làm giảm độ tin cậy của quá trình thiết kế gia công tại Công ty TNHH MTV Cơ khí hóa chất 13 Đề tài được chọn vì lý do này

2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Trên cơ sở lý do chọn đề tài em muốn phát triển một hệ thống các lý luận liên quan đến việc thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một Thiết bị đo biên dạng theo nguyên

tắc số hóa kiểu Robot (máy đo CMM kiểu ROBOT ) để ứng dụng số hóa biên dạng

chi tiết trong phạm vi ứng dụng được tại Công ty TNHH MTV Cơ khí hóa chất 13 Với ý đồ đó đề tài được tập trung khai triển trên các khía cạnh sau:

- Khái quát các đặc tính của nhóm sản phẩm cần đo nhằm xác định các đặc tính như: đặc tính kích thước, đặc tính độ chính xác để từ đó rút ra các yêu cầu cơ bản với máy đo;

- Tổng hợp, so sánh, lựa chọn cấu hình phần cơ khí của máy đo phù hợp nhất với nhiệm vụ đặt ra, đồng thời thỏa mãn điều kiện gia công chế tạo thiết bị tại Công ty TNHH MTV Cơ khí hóa chất 13 cũng như các thiết bị điện, điện tử có sẵn trên thị trường Việt Nam với chi phí hợp lý;

- Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh phần cơ khí của tay đo, trang bị điện, điện tử

và điều khiển máy để lấy số liệu thực nghiệm trên nhóm sản phẩm đã chọn;

- Thiết kế giao diện của hệ thống điều khiển trên PC sao cho thân thiện với người sử dụng, linh hoạt trong thay đổi các thông số của phần cứng (ví dụ: số xung

Trang 14

của Encoder, chiều dài cánh tay robot, đường kính que đo ) mà không cần cải tiến nâng cấp phần mềm

- Xử lý số liệu thô nhận được từ máy đo thành các định dạng yêu cầu với độ chính xác cao;

- Ứng dụng máy vào sản xuất

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

a) Ý nghĩa khoa học

Việc đi tắt đón đầu trong quá trình phát triển được nhiều nước có nền công nghiệp đang phát triển rất quan tâm, nhất là ở các lĩnh vực thiết kế không sở trường nhưng có nhu cầu thường xuyên Sản phẩm hoàn thiện cuối cùng có thể trải qua quá trình nghiên cứu lâu dài gồm động học, động lực học, thẩm mỹ và các kiến thức chuyên môn phức tạp, tuy nhiên khi đặt vấn đề sao chép mẫu thiết kế có sẵn người thực hiện chỉ cần tái tạo chính xác sản phẩm có sẵn mà không cần thực hiện theo trình tự kỹ thuật của nó, việc này rút ngắn được nhiều thời gian, tiết kiệm được nhiều tiền bạc và công sức thực hiện

Thiết kế lại hoặc số hóa một sản phẩm đã có với độ chính xác cao về hình dáng

và kích thước mà không cần quan tâm nghiên cứu các ràng buộc tạo hình theo quy trình thiết kế thông thường vì lý do nào đó chính là ý nghĩa khoa học của đề tài này

Đề tài triển khai một nghiên cứu giải bài toán ngược về độ chính xác để xác định đặc tính của các cảm biến thay thế cho phương pháp sử dụng phép dịch chuyển vi phân truyền thống Qua đó khảo sát ảnh hưởng của tầm với đến độ chính xác đo của các điểm khác nhau trong vùng làm việc của tay đo

Đề tài cũng phát triển một phương pháp làm mịn hóa một đường cong trơn (smoothness) nhận được từ số liệu đo thô

b) Ý nghĩa thực tiễn

Giải quyết được bài toán đặt ra nêu trong Mục 1 lý do chọn đề tài Cho phép

thay thế cho phương pháp thiết kế truyền thống như hiện nay, góp phần nâng cao

độ chính xác thiết kế và rút ngắn quá trình gia công thử nghiệm dụng cụ và sản phẩm tại Công ty TNHH MTV Cơ khí hóa chất 13

4 Phương pháp và phương pháp luận

a) Phương pháp nghiên cứu

Trang 15

Áp dụng phương pháp Nghiên cứu triển khai, trên cơ sở vận dụng lý thuyết

động học của Robot 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 khả thi cao

- Kỹ thuật robot trong việc nghiên cứu động học của tay đo;

- Liên kết động học trên cơ sở điều khiển thời gian;

- Các phương pháp nội suy và xấp xỉ (cho khâu xử lý dữ liệu đo)

Lý do lựa chọn các phương pháp trên đó là thiết bị không tiêu chuẩn, đối tượng

sử dụng thiết bị xuất phát từ thực tiễn nhu cầu công việc, do vậy từ thiết lập trường không gian làm việc đến thiết kế thiết bị, giao diện phần mềm trên PC đều do sự vận dụng triển khai sáng tạo các kiến thức lý thuyết về ROBOT công nghiệp cũng như phương pháp tư duy đã được trang bị tại trường học và thực tế sản xuất để ứng dụng khi triển khai đề tài nghiên cứu

5 Nội dung của đề tài

Ngoài lời cam đoan, lời cảm ơn, phụ lục và mở đầu nội dung đề tài gồm các chương sau:

Chương 1: Tổng quan về sản xuất theo kỹ thuật ngược

Chương 2: Thiết kế máy

Chương 3: Đo và đánh giá số liệu thực nghiệm

Kết luận và kiến nghị

Trang 16

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT THEO KỸ THUẬT NGƯỢC 1.1 Thiết kế ngược và sản xuất theo kỹ thuật ngược

Thiết kế ngược là quy trình xây dựng lại bản thiết kế (bản vẽ hoặc file số liệu) của mẫu vật có trước

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)

Phương pháp thiết kế ngược cũng có ưu điểm đối với mẫu thiết kế dạng bề mặt

có quy luật tạo hình nhưng không xác định được thông số thiết kế Chẳng hạn các mẫu bề mặt xoắn như cánh tuabin, bề mặt thủy động học, khí động học Trong thời gian gần đây trong nước đã có các loại thiết bị tự động đo quét tọa độ 3D, kỹ thuật thiết kế ngược cũng đã được nghiên cứu áp dụng tại một số nơi như: Doanh nghiệp, viện nghiên cứu, trường học Tuy nhiên việc ứng dụng có hiệu quả giải pháp kỹ thuật mới này vẫn còn nhiều vấn đề cần phải hoàn thiện thêm

Kỹ thuật thiết kế ngược - Reverse Engineering (RE) là thuật ngữ được sử dụng phổ biến trong thời gian gần đây Tuy nhiên việc sử dụng RE trong phát triển sản phẩm đã được bắt đầu từ vài thập kỷ trước RE được khái niệm là quá trình nhân bản một vật thể, một bộ phận hoặc một sản phẩm hoàn chỉnh có sẵn mà không có

sự trợ giúp của bản vẽ, tài liệu hay mô hình máy tính

Về bản chất thiết kế ngược là quá trình sao chép một sản phẩm đã được sản xuất (nhờ khả năng sao chép hình ảnh của một vật thể thành dữ liệu CAD 3D), thiết kế ngược liên quan đến việc quét hình (scanning), số hóa (digitizing) vật thể thành dạng điểm, đường và bề mặt 3D

Các nhà thiết kế và chế tạo thường đánh giá sản phẩm của mình và đối thủ cạnh tranh trước khi đưa ra một ý tưởng mới Ngày nay quá trình đó được hệ thống hóa thành một kỹ thuật riêng gọi là kỹ thuật thiết kế ngược Đó là sự đánh giá có hệ thống một sản phẩm nhằm mục đích tái tạo lại hoàn chỉnh hoặc có bổ sung thêm những cải tiến phát triển Như vậy có thể thấy kỹ thuật thiết kế ngược là quá trình tạo mô hình thiết kế từ sản phẩm có sẵn, nhằm thực hiện các phép phân tích kỹ thuật hoặc tái tạo lại sản phẩm dưới dạng nguyên gốc hay biến thể Quá trình này trái ngược với quá trình truyền thống bấy lâu nay kiểu “thiết kế thuận” (Forward

Trang 17

Engineering) đi từ ý tưởng đến sản phẩm (thiết kế ngược thì đi từ việc phân tích một bộ phận trong quá trình thuận, ngược này được tổng hợp theo trình tự như sau:

- Thiết kế thuận: nhu cầu ý tưởng thiết kế tạo mẫu thử và kiểm tra sản phẩm

- Thiết kế ngược: sản phẩm đo và kiểm tra tái thiết kế tạo mẫu thử và kiểm tra sản phẩm

Kỹ thuật thiết kế ngược theo hướng tự động hóa thường được chia làm 3 giai đoạn là: lấy mẫu (số hóa bề mặt) bằng thiết bị đo quét tọa độ; xử lý dữ liệu và xây dựng mô hình thiết kế trên phần mềm CAD; ứng dụng

Giai đoạn lấy mẫu là giai đoạn số hóa bề mặt mẫu bằng các loại thiết bị đo quét tọa độ Các loại thiết bị đo quét tọa độ được lựa chọn tùy theo hình dạng của chi tiết, yêu cầu độ chính xác, vật liệu chi tiết, kích thước chi tiết Hai loại thiết bị đo quét tọa độ phổ biến nhất hiện nay là thiết bị đo không tiếp xúc và thiết bị đo tiếp xúc Điển hình của 2 loại máy này là máy quét laser và máy đo tọa độ (Coordinate Measuring Machine - CMM) Trong giai đoạn này thiết bị đo tọa độ sẽ thu nhận dữ liệu hình học của đối tượng ở dạng tọa độ của các điểm (x,y, z), sau đó sẽ tập hợp các điểm trên bề mặt đối tượng được mô tả như “đám mây điểm”

Theo Metalex Magazine máy đo 3D hay còn gọi là máy đo toạ độ (Coordinate Measuring Machine, viết tắt là CMM) hoạt động theo nguyên lý dịch chuyển một đầu dò để xác định tọa độ các điểm trên một bề mặt của vật thể CMM thường thiết

kế với 4 phần chính: Thân máy, đầu đo, hệ thống điều khiển (máy tính) và phần mềm đo

Máy CMM có nhiều chủng loại khác khác nhau về kích cỡ, thiết kế và công nghệ đo Máy có thể chỉ có hệ điều khiển cơ (manual), hoặc có hệ điều khiển số CNC/PC

Các máy CMM thường được sử dụng để đo lường về kích thước, đo kiểm mẫu, lược đồ góc, hướng hoặc chiều sâu, đo chép mẫu hoặc tạo hình

Các thông số cơ bản được quan tâm của máy là các hành trình đo theo trục x, y, z; độ phân giải và trọng lượng vật đo của máy Các tính năng chung của máy CMM là có hệ thống bảo vệ chống va đập, khả năng lập trình offline, thiết kế ngược, phần mềm SPC và bù nhiệt độ

Trang 18

Về kết cấu, máy CMM gồm nhiều loại: tay gấp (artigulated arm), kiểu cầu (bridge), kiểu chìa đỡ (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

- Với máy đo kiểu chìa đỡ, trục đo được đỡ bởi một kết cấu đỡ

- Máy kiểu giàn có kết cấu khung treo trên các ụ đỡ để có thể mở rộng phạm vi trên các vật được đo Các máy đo kiểu giàn có cấu trúc tương tự như thiết kế kiểu cầu

- 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

Về hệ thống đầu do cho máy CMM, người ta có thể sử dụng loại đầu dò tiếp xúc hay đo điểm rời rạc, hệ thống đầu đo laser, hoặc camera Máy đo CMM đa cảm biến có thể được trang bị một lúc nhiều hơn một cảm biến, camera hoặc đầu dò Tiếp theo là giai đoạn xử lý dữ liệu và xây dựng mô hình, giai đoạn này sử dụng

2 phần mềm là phần mềm tạo lưới (có khả năng tự động phủ lưới qua tất cả các điểm dữ liệu) và phần mềm mô hình hóa 3D (có khả năng mô hình hóa các đường cong, mặt cong NURBS, xây dựng mô hình thiết kế CAD từ mô hình lưới điểm thông qua sự tương tác của người sử dụng với giao diện của phần mềm)

Sau cùng là giai đoạn ứng dụng, mô hình thiết kế có thể được tinh chỉnh, tối ưu bằng các phương pháp phân tích CAE, hay chuyển sang công đoạn thiết kế khuôn cho sản phẩm và cuối cùng là xuất dữ liệu thiết kế dưới dạng bản vẽ kỹ thuật Có thể sử dụng trực tiếp dữ liệu thiết kế cho công đoạn sản xuất bằng cách chuyển mô hình CAD sang phần mềm CAM để lập trình gia công CNC, hay chuyển sang dữ liệu STL cho quá trình tạo mẫu nhanh 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

Trang 19

Hình 1.3:Minh họa quy trình sản xuất ngược

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

Hình 1.4: Rapidform - phần mềm hàng đầu trong thiết kế ngược

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 hoặc thiết

kế

- Nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới

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

Trang 20

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 Một số kỹ thuật và thiết bị đo lường hiện đại trong thiết kế ngược

Với mục đích tạo ra tọa độ điểm trên bề mặt vật thể có sẵn, có nhiều phương pháp khác nhau nhưng về cở bản có thể chia vào hai nhóm, các kỹ thuật đòi hỏi tiếp xúc với vật thể hoặc không đòi hỏi tiếp xúc với vật thể

Trong kỹ thuật quét không tiếp xúc người ta có thể cần dán một lớp phản xạ tia

đo hay không tùy theo tính chất của vật liệu cấu thành nên vật thể đo như thế nào

Hình 1.5: Quét 3D với các điểm đánh dấu trên bề mặt

Hình 1.6 : Quét laser không tiếp xúc

Quét laser với tốc độ lấy mẫu hàng triệu điểm/giây không tiếp xúc và không cần đánh dấu, độ chính xác có thể tới 1.9µm tương đương với đo tiếp xúc

Trang 21

Hình 1.7: Robot PCMM và hệ thống công nghệ

Trong dòng máy CMM được ứng dụng phổ biến cho mục đích số hóa bề mặt lại chia ra nhiều kích thước phục vụ cho các kích cỡ sản phẩm khác nhau Nhỏ nhất là loại xách tay hay còn gọi là PCMM (Portable Coodianate Measure Machine) thường không trang bị động cơ, nó có cấu hình như một tay robot, việc đo lường được thực hiên theo nguyên tắc tiếp xúc giữa đầu đo và vật thể

Hình 1.8: Máy CMM để bàn kiểu shop floor

Hình 1.9 : Máy CMM cấu trúc dạng khung

Trang 22

Hình 1.10 : Máy CMM cấu trúc đứng

Hình 1.11: Một số kiểu đầu đo khác nhau của máy CMM

hay khả năng tiếp cận đối tƣợng đo:

- -

-

Trang 23

không thuận lợi cho việc tiếp cận với đầu đo tiếp xúc

-

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

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

- Tại viện nghiên cứu công nghệ cao ĐHBK HN 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 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 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 triển khai trong nghiên cứu này, các kỹ thuật thiết kế hai loại máy này khá khác biệt

(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 đề cập ở đề tài này

Trang 24

1.4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đề tài muốn phát triển một hệ thống các lý luận liên quan đến việc thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một thiết bị số hóa biên dạng chi tiết gia công kiểu PCMM (máy đo tọa độ xách tay kiểu robot) để ứng dụng số hóa biên dạng chi tiết Với ý

đồ đó đề tài được tập trung khai triển trên các khía cạnh sau:

- Khái quát các đặc tính của nhóm sản phẩm cần đo nhằm xác định các đặc tính như đặc tính kích thước, đặc tính độ chính xác để từ đó rút ra các yêu cầu cơ bản với máy đo;

- Tổng hợp, so sánh, lựa chọn cấu hình phần cơ khí của máy đo phù hợp nhất với nhiệm vụ đặt ra;

- Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh phần cơ khí của tay đo, trang bị điện, điện tử và điều khiển máy để lấy số liệu thực nghiệm trên nhóm sản phẩm đã chọn;

- Xử lý số liệu thô nhận được từ máy đo thành các định dạng yêu cầu với độ chính xác cao;

- Ứng dụng máy vào sản xuất

1.5 Kết luận chương 1

Việt Nam là nước đang phát triển theo định hướng công nghiệp hóa, xong thiết

bị công nghệ cao hầu hết đang nhập khẩu dẫn tới tình trạng thiếu chủ động trong đào tạo và sản xuất Việc nghiên cứu giải mã và nội địa hóa các thiết bị này là một hướng vừa giải quyết nhu cầu đào tạo vừa giải quyết nhu cầu sản xuất Máy đo CMM không chỉ quan trọng trong công nghệ sản xuất ngược, mà còn có vai trò quan trọng trong hệ thống CAD/CAM và cơ khí chính xác nói chung Bởi vì việc

áp dụng kỹ thuật sản xuất ngược bỏ qua được giai đoạn nghiên cứu cơ bản để phát triển sản phẩm

Theo các phân tích trên, cần tiếp tục nghiên cứu giải mã sản phẩm PCMM Loại máy này có tính năng cơ động cao trong khi vẫn đảm bảo được độ chính xác đo lường cần thiết, đầu tư nhỏ hơn các máy khác cùng chức năng Tại Việt Nam việc thiết kế và chế tạo máy thương hiệu Việt với xuất phát điểm sử dụng các linh kiện

và chi tiết cơ bản là chưa có (ngoại trừ lắp đặt các mô đun hoàn chỉnh sẵn có) Nếu đảm bảo đồng thời các tiêu chí về kinh tế và kỹ thuật đặt ra, đề tài sẽ góp phần phổ

Trang 25

biến rộng rãi loại máy này tới các doanh nghiệp có nhu cầu đo lường - số hóa trong sản xuất cơ khí

Trang 26

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÁY

2.1 Xác định đặc tính kỹ thuật của máy

Đặc tính kỹ thuật là các chỉ số quan trọng đặc trưng cho khả năng làm việc của máy mà người thiết kế cần bám sát để đảm bảo và người sử dụng cần lấy làm căn

cứ để xác định máy có đáp ứng các ứng dụng cụ thể hay không Chương này sẽ chỉ

ra các tham số kỹ thuật đặc trưng của máy, trên cơ sở xuất phát từ nhiệm vụ đo mô

tả bởi khách hàng và tham khảo các máy hiện có

2.1.1 Khái quát các đặc điểm của họ chi tiết cần đo

Các bề mặt 3D không gian có thể chia ra làm hai loại như sau:

- Các mặt được tạo bởi kỹ thuật quét hình, hay dịch chuyển đường sinh theo đường chuẩn với góc độ không thay đổi khi chuyển động, với các bề mặt này số lượng thông tin hình học cần ghi nhận khá đơn giản chỉ bao gồm đường sinh, đường chuẩn và vị trí tương đối giữa chúng;

- Các mặt 3D không xác định được quy luật tạo hình chẳng hạn các bức tượng, các tác phẩm nghệ thuật, số lượng điểm cần ghi nhận là rất lớn, thường là các đám mây điểm, cấu trúc bề mặt đa dạng bao gồm các hốc nhỏ, các rãnh sâu, khe hẹp rất khó xác định chính xác

Với thiết bị đo dựa trên kỹ thuật tiếp xúc như trong đề tài này, các contuor cần

có dạng lồi hoặc nếu biên dạng lõm cần có đủ không gian để tạo điều kiện tiếp xúc tốt với đầu đo Máy cần đo được các kiểu biên dạng 2D liên tục có thể trơn hoặc không trơn đều, toàn bộ đường sinh của chi tiết đo cần xác định sao cho nằm trong mặt phẳng

2.12: Mặt hypeboloid tròn xoay

Trang 27

Với chi tiết như hình vẽ việc đo lấy mẫu đường sinh có thể xác định theo hai cách:

- Đo đường kính hai đường tròn (đường chuẩn) và đo chiều cao;

- Đo đường kính hai đường tròn (đường chuẩn) và đường sinh (đường cong) trong mặt phẳng chứa đường tâm của vật đo

Với máy CMM sẽ rất khó gá đặt để đo được đường thẳng là đường sinh của mặt hypeboloid nếu quan niệm nó là mặt kẻ về tạo hình

2.1.2 Đặc tính kỹ thuật của máy đo

Các đặc tính dưới đây được đưa ra trên cơ sở tham khảo máy của các hãng có chức năng tương tự và kết hợp với yêu cầu đo của khách hàng:

Kiểu chi tiết cần đo:

Chi tiết trụ, trụ có cung cong, trụ có đầu cầu và các contour 2D trơn bất kỳ nằm trong phạm vi gá xác định bởi đặc tính máy đo

Vận hành:

Máy đo vận hành bằng tay, không trang bị động cơ và cảm biến lực

Do giới hạn bởi thời gian và kinh phí nên sản phẩm trong luận văn này chỉ giới hạn để đo các chi tiết có dạng tròn xoay và xuất ra bản vẽ 2D

- Khả năng gá lắp chi tiết cần đo trên máy:

+ Độ chính xác lặp lại: ≤ 0,10mm ( sai số vị trí qua các lần đo)

+ Sai số đo tương đối theo đường kính : ≤ 0,10mm

- Định dạng dữ liệu:

+ File số (*.txt);

+ File định dạng (*.dwg)

Trang 28

2.2 Cơ sở thiết kế

Như đã giới thiệu ở Chương 1 có nhiều phương pháp khác nhau Trong đề tài này, ngay từ khi xây dựng đề cương đã lựa chọn phương án Đo biên dạng theo

nguyên tắc số hóa kiểu Robot Các cơ sở lý thuyết áp dụng liên quan đến lý thuyết

cơ sở của robot gồm:

2.2.1 Sơ đồ chuyển đổi tọa độ điểm giữa các không gian

Vì bản vẽ chi tiết đo được thể hiện trong hệ quy chiếu người dùng trong khi kết quả đo được thể hiện theo hệ quy chiếu cơ sở, căn cứ vào phương trình liên kết xây dựng theo sơ đồ hệ thống công nghệ để chuyển đổi kết quả đo giữa các không gian khác nhau

2.13: Sơ đồ hệ thống công nghệ và sơ đồ chuyển đổi tọa độ

giữa các không gian

Một dụng cụ mang trong bàn kẹp được mô tả bằng ma trận T, đầu mút dụng cụ đóng vai trò điểm điều khiển (điểm P)

Ai ma trận mô tả thế giữa các hệ tọa độ suy rộng của robot;

Véc tơ X mô tả vị trí của đồ gá trong hệ quy chiếu cơ sở;

Véc tơ E mô tả vị trí gá đặt phôi gia công trong đồ gá;

Véc tơ R mô tả quỹ tích các điểm mút dụng cụ trên phôi gia công;

ODG là gốc hệ tọa độ đề các gắn với đồ gá;

OV gốc hệ quy chiếu gắn với vật, hình thành cùng với quá trình thiết kế của nó;

O0 Gốc hệ quy chiếu cơ sở gắn với giá của robot

Trang 29

Từ cách bố trí thiết bị như trên hình 2.2a có thể sơ đồ hóa quan hệ của các hệ quy chiếu dưới dạng vòng kín như hình 2.2b

Nếu lấy điểm O0 gốc của hệ quy chiếu cơ sở làm chuẩn mô tả, đối tượng mô tả

là điểm P mút dụng cụ Vì mút dụng cụ trong quá trình làm việc cần trùng với quỹ đạo gia công trên phôi nên có thể viết được quan hệ này dưới dạng phương trình vòng véc tơ như sau:

A1A2 A n.T X.E.R (2.1) Kết quả đo thể hiện trong hệ quy chiếu người dùng là:

(X.E) 1.(A1A2 A n.T) R (2.2) Trong phương trình trên nếu đồ gá di động ma trận X cần cập nhật, nếu đồ gá đứng yên ma trận X không cần cập nhật Nếu đồ gá mang nhiều chi tiết thay đổi để

mô tả điều này, R luôn luôn thay đổi để chỉ dẫn vị trí và hướng thao tác công cụ cho robot nên nó cần cập nhật, toàn bộ vế phải mô tả trong không gian công tác và

dữ liệu do phần công nghệ xác định Vòng véc tơ trên có đặc điểm đi qua tất cả các

hệ quy chiếu có mặt trên sơ đồ (khác với robot song song, cả sơ đồ chỉ gồm hai hệ quy chiếu tượng trưng cho chuẩn mô tả và đối tượng được mô tả)

Theo phép chuyển đổi thuần nhất thế của khâu chấp hành là hàm của các biến khớp, mô tả bằng ma trận tổng hợp của phép chuyển đổi:

n

i

i i

A

1

1 0

(2.3) Trong đó:Ai i

y y y y

x x x x

n

p a s n

p a s n A

(2.4)

Trong đó: 0T n f(q1,q2, ,q n); q1 qn các biến khớp; n, s, a là các vec tơ chỉ phương; p là véc tơ chỉ vị trí; oxyz là hệ toạ độ gốc

Trang 30

2.2.2 Bài toán ngược về độ phân giải của Encoder (số xung /1 vòng quay)

2.14: Sơ đồ động học xác định độ phân giải của Encoder

Đây là bài toán mấu chốt của thiết kế hệ thống đo gián tiếp nhiều thành phần, nó

có nhiệm vụ xuất phát từ cấu hình đã chọn và độ chính xác kết quả đo yêu cầu phải chỉ ra độ phân giải của các cảm biến sử dụng sao cho thỏa mãn đồng thời các tiêu chí kinh tế và kỹ thuật

Bài toán này có thể có hai hình thức:

- Nếu các đại lượng đo lường trực tiếp có quan hệ giải tích nhưng không có bản chất động học;

- Nếu các đại lượng đo lường trực tiếp có quan hệ động học;

Trong trường hợp này máy thiết kế rơi vào trường hợp thứ hai, bài toán có thể giải theo hai cách:

- Biện luận trên các quan hệ hình học của sơ đồ đo hình 2.3;

- Giải bằng phương pháp số [1]

Trang 31

Dưới đây thực hiện bài toán theo cả hai cách để đối chứng tuy nhiên với các hệ

có quan hệ không gian phức tạp phương pháp số luôn cho độ chính xác cao hơn trong khi phạm vi khảo sát rộng hơn phương pháp biện luận dựa trên các quan hệ hình học

Xét mô hình động học máy như hình 2.3 làm căn cứ tính toán, vị trí danh nghĩa điểm tác động cuối được xác định theo phương trình:

1 1 2 12

12 2 1 1

s A s A y

c A c A x

q q q

f i

1

0 ) , , ,

(2.6) Với n là số tọa độ suy rộng đủ để xác định vị trí và hướng của khâu cuối

Gọi vị trí hiện tại điểm đang xét trong vùng làm việc (không gian công tác) của tay đo là:

) , , , , ,

p (2.7) Trong đó:

) , , (x i y i z i mô tả vị trí khâu tác động cuối;

) , , ( i i i mô tả hướng khâu tác động cuối Giá trị chỉ thị của encoder cho trạng thái này được tìm thấy từ việc giải hệ phương trình sau:

i n

p q

q q

1

), ,,

(2.8)

Trang 32

Giả sử điểm pi trong không gian khớp tại trạng thái hiện thời đo được bởi các encoder:

) ( 6 2

1, , , )

i q q q

p (2.9)

2.15: Chuyển động với bước bé nhất của đầu đo giữa hai điểm trong không gian

Chọn trục có độ phân giải nhỏ hơn trong hai trục X và Y của máy để tính ra bước di chuyển bé nhất của đầu đo theo hướng bất kỳ mà máy cần nhận biết, trên

cơ sở đó tính ra tọa độ của điểm tiếp theo đầu đo sẽ di chuyển đến trong vùng làm việc là:

),,,,,

dy p

dx p p

iz iy ix

i 1

Tọa độ này khi cập nhật vào phương trình (2.8) sẽ nhận được giá trị chỉ thị tương ứng của các encoder:

) 1 ( 6 2 1

1 ( , , , )i

p (2.11) Như vậy mỗi encoder đã thực hiện một di chuyển là:

) 6 ) 1 ( 6 6

) 1 ) 1 ( 1 1

i i

q q

e

q q

e

 (2.12)

Trang 33

Gọi n jlà độ phân giải (n là số xung/1 vòng quay của encoder),n jđược xác định từ bất phương trình:

) ) 1 (

360

i j i j j

q q

n (2.13)

Do n theo quy chuẩn của nhà sản xuất, thường không trùng với giá trị tính làm tròn theo phương trình (2.13), khi đó để đáp ứng yêu cầu đo cần làm tròn lên đến giá trị lớn hơn gần nhất trong chuỗi quy chuẩn Do việc này xảy ra với tất cả các encoder của tay đo nên dễ dàng thấy rằng tay đo sẽ nhận biết được một di chuyển bước đơn vị nhỏ hơn nhiều so với yêu cầu đưa ra, để có kết luận cuối cùng về giá trị này cần tiến hành thực nghiệm

- Quá trình thuận:

Nếu vị trí ban đầu pi của tay đo cho bởi phương trình (2.9), cấp thêm 1 xung vào mỗi encoder theo chiều chuyển động các khâu không triệt tiêu lẫn nhau để mô tả vị trí kế tiếp:

)' , , , , , ( 'i 1 x i 1 y i 1 z i 1 i 1 i 1 i 1

Bước dịch chuyển đơn vị thực tế của đầu đo là:

i i i

Trang 34

2.16 : Vùng làm việc của máy

2.17 : Sơ đồ chia lưới khảo sát lựa chọn Encoder

Trang 35

2.18: Bước dịch chuyển nhỏ nhất mà đầu đo phát hiện xung quanh điểm khảo sát

Trang 36

Trang 37

Trang 38

Trang 39

2.2.3 Xác định sơ bộ sơ đồ động học máy đo

Căn cứ đặc tính kỹ thuật của máy đã nêu trong Mục 2.1 và cơ sở lý thuyết Chọn cấu hình động học máy đo nhƣ hình 2.8 bao gồm:

- Đầu đo;

- Hai khâu thành phần;

- Đầu đo và hai khâu thành phần đƣợc kiên kết với nhau bằng khớp quay có gắn Encoder đếm chuyển vị góc của các khâu trong quá trình thực hiện phép đo

2.19: Sơ đồ động học máy đo

2.2.4 Xác định sơ đồ liên kết cơ điện tử

Đo và số hóa biên dạng bề mặt cần đo đƣợc thực hiện trên cơ sở tập hợp các điểm đo mà thiết bị nhận biết đƣợc khi thực hiện pháp đo (hình 2.9)

Trang 40

2.20: Sơ đồ mô tả thực hiện quá trình đo

Sau khi nghiên cứu sơ đồ động học của máy cho thấy các cơ sở thông tin cần thiết để xác định liên kết cơ điện tử (hình 2.10) gồm:

và dữ liệu phát xung điểm đo thứ (n j-1 ) của E2 và ngược lại

- Phần giữa các điểm B1 và B2; Bi-1 và Bi: được xác định bằng phương pháp nội suy bằng phần mềm xử lý dữ liệu

Định dạng
Số trang	101
Dung lượng	4,44 MB