Đồ án Thiết kế chế tạo máy Scan 3D

1.2 Nội dung và giới hạn đề tài 1.2.1 Nội dung nghiên cứu Trong đề tài này nhóm sẽ tiến hành nghiên cứu các nội dung sau: - Tìm hiểu ưu và nhược điểm của một số máy Scan 3D có sẵn trên

TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D

Ths.Đường Khánh Sơn Huỳnh Tuấn Phong (MSSV: 1700221)

Ngành:Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử 2017

Nguyễn Hải Đăng (MSSV: 1700379)

Ngành:Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử 2017

Cần Thơ - 2021

NHẬN XẾT GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Cần Thơ, ngày tháng năm 2021

NHẬN XÉT HỘI ĐỒNG

Cần Thơ, ngày tháng năm 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KỸ THUẬT – CÔNG NGHÊ CẦN THƠ Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NHIỆM VỤ TIỂU LUẬN ĐẠI HỌC

Họ tên sinh viên: HUỲNH TUẤN PHONG MSSV: 1700221

Ngày, tháng, năm, sinh: 25/10/1998 Nơi sinh: Cà Mau

Ngành: Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử Mã số: 7510203

Họ tên sinh viên: NGUYỄN HẢI ĐĂNG MSSV: 1700379

Ngày, tháng, năm, sinh: 06/05/1999 Nơi sinh: Cà Mau

Ngành: Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử Mã số: 7510203

TÊN DỀ TÀI:

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

 Nhiệm vụ:

Ứng dụng công nghệ thiết kế ngược vào quá trình thiết kế sản phẩm

 Nội dung:

- Thiết kế, chế tạo mô hình máy Scan 3D

- Thiết kế mạch điều khiển hoàn chỉnh

THỜI GIAN GIAO ĐỀ TÀI: 15/02/2021

THỜI GIAN HOÀN THÀNH: 18/06/2021

Cần Thơ, ngày tháng năm 2021

KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô của trường đại học kỹ thuật - công nghệ Cần Thơ đặc biệt là thầy cô ở khoa kỹ thuật cơ khí đã tạo điều kiện cho em hoàn thành đề tài nghiên cứu của mình

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất dành đến thầy Đường Khánh Sơn đã nhiệt tình hướng dẫn và hỗ trợ em để hoàn thành đề tài tiểu luận Trong quá trình thực hiện đề tài khó tránh khỏi những sai sót, rất mong quý thầy cô bỏ qua Đồng thời do trình độ về lý luận cũng như chuyên môn còn hạn chế khó tránh khỏi những sai sót,

em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, phản hồi từ quý thầy cô để em có thể rút ra kinh nghiệm quý báo và xa hơn có thể ứng dụng trong thực tiễn sau này

Em xin chân thành cảm ơn!

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan nội dung của tiểu luận thiết kế chế tạo máy Scan 3D được thực hiện bởi nhóm em, từ cơ sở lý thuyết đến thực nghiệm trong suốt quá trình thực hiện

đề tài Nhằm hướng đến mục tiêu đặt ra là thiết kế chế tạo mô hình máy Scan 3D với quy mô học tập và nghiên cứu Quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài đã được sự cho phép của Khoa Kỹ Thuật Cơ Khí thuộc Trường Đại Học Kỹ Thuật - Công Nghệ Cần Thơ thông qua sự hướng dẫn của thầy Đường Khánh Sơn.Trong bài thuyết minh có

sử dụng những hình ảnh, số liệu, tài liệu khoa học, tài liệu về kỹ thuật để tham khảo điều được trích dẫn và ghi chú nguồn gốc rõ ràng Em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm liên quan đến quyền tác giả của đề tài tiểu luận này

Sinh viên thực hiện

LỜI NÓI ĐẦU

Đất nước ta đang bước vào thời kì công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước với nhiều thuận lợi và khó khăn thách thức Sự phát triển nhanh chóng của cách mạng khoa học nói chung trong lĩnh vực tự động hóa nói riêng làm cho bộ mặt xã hội đất nước biến đổi từng ngày từng giờ Chính vì thế việc cần thiết nhất là ứng dụng các tiến bộ về khoa học kỹ thuật vào sản xuất chế tạo nhằm tạo ra những sản phẩm có năng suất, chất lượng cao, giá thành hợp lý ngày càng trở nên cấp thiết, đặc biệt đối với những nước đang trong thời kì phát triển như nước ta

Gần đây, phong trào tự chế máy Scan 3D, đã và đang được nhiều bạn sinh viên quan tâm Tuy nhiên trong quá trình chế tạo vẫn còn nhiều hạn chế Do đó, để cập nhật kiến thức đồng thời giúp các bạn học sinh, sinh viên hiểu nhiều hơn về công nghệ thiết kế ngược, đó chính là lý do chúng em chọn đề tài “Thiết Kế Chế Tạo Máy Scan 3D”

Thiết kế ngược là cụm từ còn khá xa lạ đối với nhiều người nói chung và người trong nghề kỹ thuật nói riêng Công nghệ thiết kế ngược là một quá trình tập hợp nhiều loại công nghệ khác nhau Theo cách truyền thống, để sản xuất được một sản phẩm người ta sẽ bắt đầu từ việc nghĩ ra ý tưởng rồi phác thảo ý tưởng đó ra giấy Sau đó là các bước như tính toán nguyên vật liệu phù hợp, tạo ra sản phẩm thật rồi kiểm tra và phát triển sản phẩm cho hoàn thiện Cuối cùng đưa ra sản xuất đại trà Đây là quá trình chế tạo truyền thống hay còn gọi là “thiết kế thuận hay thiết kế xuôi"

Tuy nhiên, cuộc cách mạng công nghiêp 4.0 đã đi ngược lại với cách của truyền thống Công nghệ thiết kế ngược được ra đời dựa trên phát minh của máy Scan 3D Thiết kế ngược được hiểu là công nghệ chế tạo ngược từ dữ liệu Scan 3D Nghĩa là thiết kế từ một mẫu đã có sẵn Sử dụng thiết bị Scan 3D (quét 3D) để chụp lại biên dạng 3 chiều của mẫu, sau đó dữ liệu file quét 3D được xuất sang phần mềm thiết ngược (Geomagic designX, Cimatron, Inventor, Solidwworks, ProE, Catia ) để

tiến hành thiết kế Phần mềm thiết kế ngược cũng cho phép người dùng có thể thay đổi kích thước, kiểu dáng thiết kế theo ý muốn

Việt Nam đã và đang có nền công nghiệp phát triển năng động, vì thế cũng không thể đứng ngoài trào lưu công nghệ, các mặt của đời sống sản xuất điều cần có sự tiến

bộ so với bạn bè quốc tế Ứng dụng công nghệ thiết kế ngược, hiện nay đang rất cần thiết cho quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa Giúp nâng cao năng suất sản phẩm, giảm thiểu chi phí đầu tư, tăng cấp chính xác, đáp ứng nhu cầu cạnh tranh hiện nay Em hy vọng đề tài này sẽ đóng góp vào phục vụ đời sống sản xuất, nâng cao năng suất lao động

Nâng cao ý thức tự học, tự nghiên cứu trong học sinh, sinh viên đặc biệt là các sinh viên của trường Đại học Kỹ Thuật - Công Nghệ Cần Thơ

Có thể phát triển xa hơn với việc đưa sản phẩm ra thị trường, hạn chế việc phải phụ thuộc vào các nguồn sản phẩm nhập ngoại, giúp hạ giá thành sản phẩm cũng như đưa việc ứng dụng công nghệ kỹ thuật vào sâu trong đời sống sản xuất

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I LỜI CAM ĐOAN II LỜI NÓI ĐẦU III

MỤC LỤC iii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC HÌNH ẢNH iv

DANH MỤC BẢNG vi

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do và mục đích chọn đề tài 1

1.1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.1.2 Mục đích nghiên cứu 2

1.2 Nội dung và giới hạn đề tài 2

1.2.1 Nội dung nghiên cứu 2

1.2.2 Mục tiêu và giới hạn đề tài 2

1.3 Giới thiệu về công nghệ thiết kế ngược 3

1.3.1 Khái niệm 3

1.3.2 Ưu nhược điểm của công nghệ thiết kế ngược 5

1.3.3 Quy trình công nghệ thiết kế ngược 5

1.3.4 Các ứng dụng của công nghệ thiết kế ngược 7

1.3.5 Nguyên lý máy quét Scan 3D 11

1.4 Một số máy Scan 3D hiện nay 14

1.4.1 Máy Afinia EinScan-SE (Elite) 14

1.4.2 Máy Scan 3D Cybergage360 15

1.5 Máy Scan 3D khác 17

1.5.1 Máy Scan 3D nhóm sinh viên trường đại học Bách Khoa Hà Nội 17

1.5.2 Máy quét 3D của kỹ sư Phan Huỳnh Lâm trường đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh .18

1.6 Rút ra kết luận 19

1.7 Phương pháp nghiên cứu 19

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D 20

2.1 Thiết kế máy Scan 3D 20

2.2 Thiết kế hệ thống điện 24

2.2.1 Khối điều khiển 24

2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển trung tâm 26

2.2.2.1 Arduino Uno R3 26

2.2.2.2 CNC Shield V3 31

2.2.2.3 Driver điều khiển động cơ bước A4988 32

2.2.2.4 Nguồn cho hệ thống 34

2.2.2.5 Sơ đồ kết nối mạch điện 35

2.2.3 Cơ cấu chấp hành 36

2.2.3.1 Động cơ bước 36

2.2.4 Đầu Laser 5mW vạch ngang 43

2.3 Camera 46

2.3.1 Webcam logitech C270 46

2.3.2 Cân chỉnh Camera 46

2.4 Các phần mềm hỗ trợ 49

CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 50

3.1 Chế tạo thành công 50

3.2 Hướng cải tiến 54

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CAD Compurter aided design

CAM Compurter aided manufacturing

CAE Computer aided engineering

CAPP Computer aided process planning

CNC Computerized numerical control

No table of figures entries found.DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Quy trình sản xuất sản phẩm công nghiệp 1

Hình 1.2: Quy trình lấy mẫu áp dụng công nghệ thiết kế ngược 4

Hình 1.3: Quy trình thiết kế thuận và Quy trình thiết kế ngược 6

Hình 1.4: Công nghệ RE dựng mô hình CAD cho các tác phẩm nghệ thuật 7

Hình 1.5: Ứng dụng công nghệ tái tạo lấy mẫu hoa văn thủ công 7

Hình 1.6: Ứng dụng RE thiết kế lại sản phẩm cơ khí phức tạp 8

Hình 1.7: Ứng dụng RE trong khảo cổ học 9

Hình 1.8: Ứng dụng RE tạo mảnh sọ não dùng trong y học 9

Hình 1.9: Sử dụng RE thiết kế nhân vật và môi trường trong Game 10

Hình 1.10: Quy trình sản xuất tạo khuôn mẫu 10

Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý máy quét laser 3D 11

Hình 1.12: Quan hệ dịch chuyển vật và dịch chuyển ảnh 11

Hình 1.13: Máy quét 3D EinScan-SE (Elite) với bàn xoay 14

Hình 1.14: Máy Scan 3D Cybergage360 15

Hình 1.15: Chống phản xạ đa chiều 3D - MRS) 16

Hình 1.16: Máy quét cơ thể người của nhóm sinh viên 17

Hình 1.17: Máy quét 3D của kỹ sư Phan Huỳnh Lâm 18

Hình 2.1: Tổng thể máy Scan 3D 20

Hình 2.2: Ảnh tổng thể 3D của máy Scan 3D 20

Hình 2.3: Bản vẽ bàn xoay 21

Hình 2.4: Bản vẽ khớp nối động cơ 22

Hình 2.5: Bản vẽ thân trên của máy 22

Hình 2.6: Bản vẽ đầu gá laser 23

Hình 2.7: Bản vẽ đầu nối các trục 23

Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống 24

Hình 2.9: Lưu đồ giả thuật máy Scan 3D 26

Hình 2.10: Arduino Uno R3 28

Hình 2.11: CNC Shield V3 31

Hình 2.12: CNC Shield V3 kết hợp cùng A4988 31

Hình 2.13: Driver điều khiển động cơ bước A4988 32

Hình 2.14: Sơ đồ nối dây A4988 33

Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý của A4988 33

Hình 2.16: Nguồn Adapter 12V 34

Hình 2.17: Sơ đồ kết mạch điện 35

Hình 2.18: Mạch điện khi được hoàn chỉnh 36

Hình 2.19: Động cơ bước 37

Hình 2.20: Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 39

Hình 2.21: Sơ đồ nguyên lý động cơ bước biến từ trở 39

Hình 2.22: Động cơ bước hỗn hợp 40

Hình 2.23: Điều khiển động cơ bước 41

Hình 2.24: Động cơ Step 42 sữ dụng trong đề tài 42

Hình 2.25: Kích thước động cơ Step 42 42

Hình 2.26: Cấu tạo cơ bản của nguồn phát 43

Hình 2.27: Laser 5mW vạch ngang 44

Hình 2.28: Webcam Logitech C270 46

Hình 2.29: Bảng cân chỉnh camera 47

Hình 2.30: Cân chỉnh các thông số 47

Hình 2.31: Camera đã nhận điểm ảnh trên bảng cân chỉnh 48

Hình 2.32: Bảng cân chỉnh đặt trên bàn xoay của máy 48

Hình 3.1: Tổng thể của máy Scan 3D 50

Hình 3.2: Khi máy chưa cân chỉnh thông số 51

Hình 3.3: Khi máy đã chỉnh các thông số phù hợp 51

Hình 3.4: Ảnh quét ca nước 52

Hình 3.5: Ảnh sau khi được xử lý bằng phần mềm meshlab 53

DANH MỤC BẢNG Bảng 2-1: Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3 29 Bảng 2-2 Bảng thông số kỹ thuật của A4988 34 Bảng 3-1: So sánh kích thước ảnh thực tế và ảnh sau khi Scan chậu cây 53

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1 Lý do và mục đích chọn đề tài

1.1.1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, ngành công nghiệp sản xuất đang được xem là ngành kinh kế trọng điểm của toàn thế giới nói chung và của Việt Nam nói riêng Phương pháp để tạo ra sản phẩm nhanh chóng, chính xác, mẫu mã đẹp đang là vấn đề được các nhà máy, cơ quan xí nghiệp quan tâm hàng đầu Việc thiết kế dựa theo sản phẩm đã có sẵn trước đây phải trải qua một giai đoạn thiết kế, chế tạo mất khá nhiều thời gian, sản phẩm tạo ra không được như ý muốn Chính vì vậy, cần có một giải pháp nào đó áp dụng

để giải quyết các vấn đề này nhằm mang đến sự tiện lợi, dễ dàng, nhanh chóng cho công ty, cũng như các trung tâm nghiên cứu, trường học và những người đam mê khám phá công nghệ

Hình 1.1: Quy trình sản xuất sản phẩm công nghiệp

Hiện nay với xu hướng phát triển không ngừng của công nghệ như công nghệ

xử lý ảnh qua camera, bảo mật thẻ RFID Việc áp dụng xử lý ảnh vào quá trình tạo

ra sản phẩm sẽ dễ dàng thận tiện và nhanh chóng hơn

Ở Việt Nam ngành kỹ thuật 3D (thiết kế 3D, scan 3D, tạo mẫu in 3D) đang ngày càng phát triển, là sinh viên ngành kỹ thuật chúng em luôn muốn tìm kiếm học hỏi nhiều điều mới mẽ Nhận thấy đề đang được phát triển rộng rãi, tính thú vị của nó và nhiều lợi ít mà đề tài mang lại Từ đó chúng em chọn đề tài Scan 3D để nghiên cứu

và chế tạo

1.1.2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu và áp dụng những công nghệ mới theo xu hướng phát triển, tìm hiểu

về xử lý ảnh áp dụng để chế tạo mô hình máy Scan 3D gọn nhẹ, dễ dàng sử dụng,

độ chính xác cao, thời gian quét vật thể nhanh, khắc phục những nhược điểm trước

đó của những máy Scan 3D đã thực hiện

Đây không chỉ là tiểu luận tốt nghiệp để hoàn thành chương trình học tập nghiên cứu tại trường Mà đối với chúng em đây cũng là lúc mình tận dụng tất cả những kiến thức đã học để làm ra một sản phẩm tốt nhất có thể từ năng lực thực sự của chính mình Khẳng định năng lực của mình để sau khi ra trường trở thành một kỹ

sư có đóng góp nhiều cho nền kỹ thuật nước nhà

1.2 Nội dung và giới hạn đề tài

1.2.1 Nội dung nghiên cứu

Trong đề tài này nhóm sẽ tiến hành nghiên cứu các nội dung sau:

- Tìm hiểu ưu và nhược điểm của một số máy Scan 3D có sẵn trên thị trường

- Tìm hiểu về xử lý ảnh, nhận diện ảnh từ vật mẫu

- Giao tiếp giữa máy tính và Arduino

- Tìm hiểu các linh kiện (Arduino, camera, laser, động cơ bước ), vật liệu làm mô hình để thực hiện đề tài máy Scan 3D

- Thiết kế và thi công mô hình

- Đánh giá kết quả thực hiện

- Nhận xét ưu và nhược điểm của đề tài và hướng phát triển

1.2.2 Mục tiêu và giới hạn đề tài

Vì một số điều kiện khách quan cũng như chủ quan nên đề tài nhóm tập chung vào một số vấn đề sau:

- Thiết kế và xây dựng mô hình máy Scan 3D

- Hiệu chỉnh được thông số của máy

- Máy hoạt động ổn định, sai số thấp, gọn nhẹ, có thể khắc phục được các hạn chế của những máy Scan 3D trước đó

- Nhận dạng được vật thể, căn chỉnh được ánh sáng, chế độ làm việc cũng như thời gian quét của máy

1.3 Giới thiệu về công nghệ thiết kế ngược

1.3.1 Khái niệm

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, rồi kiểm tra, hoàn thiện phác thảo, để đưa ra phương pháp tối

ưu, cuối cùng là công đoạn sản xuất ra sản phẩm Đây chính là chu trình sản xuất truyền thống, là phương pháp sản xuất đã được áp dụng từ bao thế kỷ nay Phương pháp này còn được gọi là công nghệ sản xuất thuận (Forward Enineering) Trong vài chục năm trở lại đây với sự phát triển với sự phát triển 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 sản phẩm theo hoặc dựa trên một sản phẩm có sẵn Quy trình này gọi là công nghệ thiết kế ngược (Reverse Engineering) hay cũng được hiểu là công nghệ chép mẫu hay công nghệ chế tạo ngược

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 đã 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

Từ khi ra đời vào những năm 90 của thế kỷ trước, công nghệ thiết kế ngược ( Reverse Engineering) đã được nghiên cứu, áp dụng trong nhiều lĩnh vực phát triển nhanh sản phẩm, đặc biệt là trong lĩnh vực thiết kế mô hình 3D từ mô hình đã có sẵn nhờ sự trợ giúp của máy tính Kỹ thuật thiết kế ngược ngày càng phát triển theo sự phát tiển của các phần mềm CAD/CAM Nó luôn được quan tâm và cũng liên tục được cải tiến để đáp ứng nhu cầu của xã hội trên nhiều lĩnh vực sản xuất RE trở thành một bộ phận quan trọng của sản xuất hiện tại Đã có nhiều công ty của nhiều quốc gia ứng dụng hiệu quả và rất thành công với công nghệ này Có thể thấy Trung Quốc là một điển hình Nhiều sản phẩm như xe máy, ô tô, máy móc hàng loạt đồ gia dụng, đồ chơi đã được sản xuất dựa trên sự sao chép các mẫu có sẵn trên thị trường của các

hãng nổi tiếng của Nhật, Hàn Quốc như Honda, Misubishi, Toyota (Hình 1.2 là một

ví dụ minh họa)

Sản phẩm thực Sản phẩm sơn trắng để quét

Quét mẫu bằng máy ATOS Mô hình sản phẩm sau khi quét

Mô hình hóa các bề mặt Mô hình CAD xây dựng lại

Hình 1.2: Quy trình lấy mẫu áp dụng công nghệ thiết kế ngược

Ở Việt Nam, trong những năm trở lại đây công nghệ thiết kế ngược cũng đã được áp dụng vào sản xuất Tuy nhiên phần lớn chưa mang tính chuyên nghiệp Ví

dụ như các công ty sản xuất, chế tạo khuôn cho các mặt hàng nhựa, thường khi nhận đơn đặt hàng của các đối tác làm một bộ khuôn cho một mẫu sản phẩm cho trước thì

đa số việc số hóa mô hình lấy dữ liệu đều thực hiện một cách thủ công, đo vẽ bằng

tay Việc ứng dụng các thiết bị số hóa công nghệ cao chuyên dụng, các phần mềm thiết kế ngược vẫn chưa nhiều Chỉ có một số ít công ty có thể làm theo hợp đồng như công ty Hàn Quốc, trung tâm dịch vụ công nghệ 3D hay các viện trường đại học như trường Đại Học GTVT, Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, Đại Học Bách Khoa

Hà Nội có máy quét 3D nhưng chủ yếu vẫn là phục cho học tập và nghiên cứu

1.3.2 Ưu nhược điểm của công nghệ thiết kế ngược

*Ưu điểm

+ Kiểm tra chất lượng sản phẩm bằng cách so sánh mô hình CAD với sản phẩm, từ

đó điều chỉnh mô hình hoặc các thông số công nghệ để tạo ra sản phẩm đạt yêu cầu + Mô hình CAD đựơc sử dụng như là mô hình trung gian trong quá trình thiết kế bằng cách tạo sản phẩm bằng tay trên đất sét, thạch cao, sáp…rồi quét hình để tạo mô hình CAD Từ mô hình CAD này người ta sẽ chỉnh sửa theo ý muốn

+ Giảm bớt thời gian chế tạo dẫn tới năng suất cao

+ Chế tạo được nguyên mẫu mà không cần bản thiết kế

* Nhược điểm

+ Cần có công nghệ hiện đại là các loại máy quét hình

+ Giá thành cao

1.3.3 Quy trình công nghệ thiết kế ngược

Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện đại, quá trình sản xuất sản phẩm ngày càng được chuyên môn hóa, việc chế tạo ra một loại sản phẩm được chia tách thành nhiều công đoạn riêng biệt nhưng có quan hệ mật thiết với nhau theo một tiêu chuẩn chung thống nhất hợp thành quy trình sản xuất Tuy có nhiều cải tiến mới song qui trình sản xuất hiện nay nhìn chung đều được biểu hiện bằng 2 sơ đồ (Hình 1.3)

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 hóa 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 tạo này sẽ được đem đi kiểm tra thực tế xem có thỏa mãn 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

Hình 1.3: Quy trình thiết kế thuận và Quy trình thiết kế ngược

Còn trong quy trình thiết kế ngược chúng ta làm ngược lại Xuất phát điểm là một mẫu sản phẩm thực tế (Physical part) Mẫu sản phẩm thực này được số hóa và sử

lý bằng các thiết bị và phần mềm chuyên dụng để đưa ra mô hình CAD cụ thể Sau

đó 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 hóa trên các phần mềm CAE/CAM, chuẩn bị công nghệ (CAPP) gia công tạo mẫu nhanh hoặc lập trình gia công trên máy CNC hay các máy công cụ khác, kiểm tra thực tế cuối cùng mới đưa vào sản xuất đại trà

1.3.4 Các ứng dụng của công nghệ thiết kế ngược

Với tính ưu việt của mình là mô hình hóa được nhiều chi tiết (kể cả các chi tiết

có độ phức tạp cao) một cách nhanh chóng và chính xác đáp ứng tối đa các nhu cầu

đa dạng của thị trường trong rất nhiều lĩnh vực :

* Trong lĩnh vực nghệ thuật

Hình 1.4: Công nghệ RE dựng mô hình CAD cho các tác phẩm nghệ thuật

Hình 1.5: Ứng dụng công nghệ tái tạo lấy mẫu hoa văn thủ công

Trong lĩnh vực này công nghệ thiết kế ngược được thể hiện ở việc sao chép hoặc phân tích các đặc điểm, nét vẽ của các kiệt tác hội họa, điêu khắc Thông thường với các chi tiết yêu cầu cao về tính thẩm mỹ, sản phẩm được mô hình hóa bởi các nhà kỹ thuật (Stylist) trên các chất liệu như đất sét, chất dẻo, gỗ Tuy nhiên các tác phẩm hay các kiệt tác nghệ thuật chỉ là kết quả của một vài nhà nghệ thuật, nhà thiết kế nào

đó, trong khi đó ai cũng muốn được có, muốn được thưởng thức chúng Nhu cầu thị

trường đòi hỏi các sản phẩm phải có 1 số lượng lớn theo một vài phong cách, hay sản phẩm của một số nhà thiết kế mà tác phẩm của họ đã được khẳng định trên thị trường

Để đáp ứng nhu cầu đó cần có được mô hình CAD của sản phẩm mong muốn Việc này chỉ có thể thực hiện được bằng công nghệ thiết kế ngược Với các thiết bị hiện đại và sự trợ giúp của máy tính chúng ta có thể xây dựng được các dự liệu CAD giống hệt mô hình thật do các nhà mỹ thuật tạo ra với dung sai nhỏ (hình 1.6, hình 1.7) Công nghệ RE có vai trò rất lớn trong cải tiến mẫu mã sản phẩm Yêu cầu về thời gian không cho phép chúng ta khi chế tạo một mẫu mã 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 tốn rất nhiều thời gian, công sức Do vậy mà chúng ta phải biết kế thừa các mẫu sản phẩm đã 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 mã mới Như vậy sẽ giảm được thời gian thiết kế, rút ngắn thời gian đưa sản phẩm vào thị trường, tức là giảm thời gian của chu trình sản xuất (Lead time) Với nhu cầu của thị trường thay đổi liên tục từng ngày như hiện nay, công ty nào sớm đưa ra được mẫu

mã mới sẽ chiếm được thị phần và giành được lợi nhuận cao nhất Còn công ty nào đưa ra sản phẩm mới chậm hơn sẽ không còn cơ hội có được lợi nhuận

Mô hình quét mẫu sản phẩm Mô hình CAD đưa ra

Hình 1.6: Ứng dụng 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 mẫu mã mới 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 hình người, hình con vật Trong khảo cổ học, công nghệ RE cho phép khôi phục hình dạng của các sinh vật thời tiền sử dựa trên các hóa thạch cổ thu được trong đất, đá, hay trong băng mà không hề làm tổn hại hay phá hoại mẫu hóa thạch đó RE còn cho phép chúng ta dựng lại các mẫu tượng cổ, khôi phục lại các công trình kiến trúc, nghệ thuật cổ đã bị tàn phá trong lịch sử

Hình 1.7: Ứng dụng RE trong khảo cổ học

Trong y học: Công nghệ thiết kế ngược 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 các khuyết tật, các bộ phận hỏng, bị tổn thương, bị hư hại do tai nạn hoặc do bẩm sinh như xương, khớp, răng hàm, mảnh sọ não…

Mô hình CAD Chương trình gia công Khuôn bằng nhôm

Hình 1.8: Ứng dụng RE tạo mảnh sọ não dùng trong y học

Hình 1.9: Sử dụng RE thiết kế nhân vật và môi trường trong Game

Công nghệ RE còn được ứng dụng rộng rãi 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 giả trí, làm phim ảnh hay mô phỏng một quá trình nào đó phục vụ cho một mục đích nào đó

Công nghệ RE còn được áp dụng trong một vài lĩnh vực khác nữa Nói chung

cứ ở đâu cần thiết kế đưa ra mô hình CAD thì ở đó 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 ngắn thời gian chế tạo sản phẩm) Với tiêu chí, khoảng thời gian từ lúc đặt hàng sản phẩm cho đến khi có sản phẩm thật đã rút ngắn đi rất nhiều, có thể tính theo ngày, theo giờ thay vì tính theo quý, theo tuần hay theo tháng trước kia Với tính ưu việt về thời gian và độ chính xác, công nghệ thiết kế ngược hứa hẹn sẽ là công nghệ thiết kế chủ đạo của nền sản xuất

Hình 1.10: Quy trình sản xuất tạo khuôn mẫu

Công nghệ Scan 3D là một trong ứng dụng của công nghệ đo không tiếp xúc Trong quá trình đo, máy sử dụng chùm ánh sáng Laser chiếu vào bề mặt của chi tiết cần đo, chùm tia sáng được phản xạ lại từ bề mặt chi tiết được cảm ứng đo thu lại đưa vào bộ phận biến đổi của máy đo và với sự hỗ trợ của máy tính và phần mềm điều khiển đo cho ra kết quả của chi tiết đo dưới dạng đám mây điểm

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất máy Scan 3D như: Faro Arm, Metris, Konika… Mỗi hãng có phần mềm Scan 3D khác nhau, đưa ra độ chính xác khác nhau và sử dụng tia sáng Laser có bước sóng khác nhau như Konika sử dụng ánh sáng Laser cấp I còn Faro Arm lại sử dụng ánh sáng Laser cấp II

Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý máy quét laser 3D

a) Nguyên lý làm việc của máy scan laser 3D

Hình 1.12: Quan hệ dịch chuyển vật và dịch chuyển ảnh

Đèn phát Laser: có nhiệm vụ phát ra ánh sáng Laser có bước sóng thích hợp Thấu kính: có nhiệm vụ lọc và hội tụ tia Laser được phản xạ lại từ bề mặt của chi tiết lên bề mặt của cảm biến CCD

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

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

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

Chỉ thị: Đưa ra kết quả đo chi tiết được xử lý từ máy tính là đám mây điểm Thực chất về nguyên lý của Scan 3D giống như quá trình chụp ảnh thông thường, nhưng chụp ảnh của Scan 3D là quá trình chụp ảnh các vật thể ở dạng ảnh ba chiều, trong khi đó nếu là chụp ảnh thông thường thì chỉ là ảnh hai chiều Máy Scan 3D sử dụng cảm biến Laser và gán vào một hệ thống máy đo, hệ thống này được định

vị và được kiểm soát bằng máy tính Vật cần đo được đặt trực tiếp trên bàn hoặc được treo cố định hoặc cũng có thể gá một vị trí bất kỳ trong không gian như các tượng đài, nhà cửa… Đây là một lợi thế nổi trội của máy Scan 3D Với sự hỗ trợ của phần mềm kiểm soát quét sẽ điều chỉnh cảm biến laser lướt trên bề mặt của vật cần quét,

bộ phận định vị 3D nằm trên bề mặt của bộ cảm biến sẽ ghi lại các tín hiệu phản hồi được đưa ra bởi hệ thống quét theo góc phản xạ của chùm ánh sáng được bề mặt của chi tiết phản xạ lại và tín hiệu này được so sánh với tham số mẫu, từ đó đưa ra cho ta kết quả đo là đám mây điểm

Tất cả các hệ thống quét trong công nghệ Scan 3D đều sử dụng công nghệ dựa trên phép đạc tam giác laser Bản chất của công nghệ này là máy ảnh hai chiều chụp ảnh dựa vào dải sáng laser như trong hình vẽ Dải sáng được phát ra từ một diode quang thông qua các bộ phận biến đổi quang học sau đó được chiếu vào bề mặt của

Lý do có hai bộ phận cảm ứng thay vì một là: có thể vì một lý do nào đó hình ảnh nghiêng trên bề mặt của vật thật không được một bộ phận cảm ứng nhận biết và luôn cần có một bộ phận cảm ứng thứ hai có thể bắt được hình ảnh đó Người sử dụng có thể bật hai bộ phận cảm ứng nhưng chỉ một bộ phận cảm ứng hoạt động trong một thời điểm

b) Ưu, nhược điểm của công nghệ Scan 3D

Ưu điểm

- Kết cấu nhỏ gọn: Máy Scan 3D kết cấu nhỏ gọn

- Gá đặt đơn giản: Khi quét chi tiết thì không cần phải gá đặt cầu kì mà có thể được đặt trên bàn hoặc có một vị trí bất kì trong phạm vi làm việc của máy

- Dễ dàng xử lí kết quả: Cho ra kết quả là đám mây điểm rất dễ dàng xử lí trên các phần mềm xử lý điểm chuyên dụng như: Geomegic, Catia, Meslab…

- Đo được nhiều những vật có độ phức tạp mà máy đo thông thường không thể đo được

- Độ phân giải cao: Khi quét cho ra được số liệu bề mặt đầy đủ hơn chi tiết cần quét

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

- Quét được các mẫu dạng mềm như xà phòng, đất nặn…

- Kiểm tra các bề mặt và so sánh với các điểm

Nhược điểm

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

1.4.1 Máy Afinia EinScan-SE (Elite)

Hiện nay, máy Scan 3D đã và đang được sử dụng rất nhiều trong sản xuất Với tính chất của tia laser, cho phép chúng ta sử dụng và đưa ra rất nhiều sản phẩm vô cùng chất lượng Đặc biệt, Máy quét 3D EinScan-SE (Elite) với bàn xoay từ Afiniacó thể tạo ra các mô hình 3D với độ chính xác cao cho một loạt các ứng dụng thiết kế và

in 3D sáng tạo EinScan-SE có thể quét bằng hai chế độ:quét tự động và quét cố định

Hình 1.13: Máy quét 3D EinScan-SE (Elite) với bàn xoay

Ưu điểm:

- Độ chính xác ≤0,1mm với công nghệ chuyển pha ánh sáng

- Quét các mục nhỏ đến 1,2 x 1,2 x 1,2 " Kích thước quét tối đa ở chế độ tự động lớn hơn, lên đến 27,6 x 27,6 x 27,6"

- Quá trình quét tự động mất khoảng 2 phút để hoàn thành, trong khi quá trình quét cố định mất khoảng 8 giây

- Quét có thể được thực hiện chỉ với một cú nhấp chuột, làm cho trải nghiệm thân thiện với người dùng

- Các mô hình kỹ thuật số do EinScans tạo ra đã sẵn sàng để in trên máy in 3D như Afinia H800 +, H480 hoặc H400

- Quét ánh sáng trắng an toàn hơn quét laser Ánh sáng trắng được tạo ra bởi một máy chiếu rất giống với những ánh sáng được sử dụng trong lớp học và văn phòng

phẩm vật phẩm phong thủy

Nhận xét: máy afinia EinScan-SE hoạt động tốt, thời gian quét mẫu nhanh, chi tiết đẹp, mỗi lần quét tạo ra tệp dữ liệu 3D chất lượng cao nhưng giá thành còn khá đắt (56.800.000 vnđ) đối với người sử dụng, kỹ sư và các sinh viên trong ngành kỹ thuật trong quá trình nghiên cứu và học tập

1.4.2 Máy Scan 3D Cybergage360

Hình 1.14: Máy Scan 3D Cybergage360

Máy Scan 3D Cybergage360 được thiết kế và sản xuất bởi hãng Cyberoptic Hoa

kỳ Sự kết hợp chưa từng có tiền lệ của tốc độ, sự chính xác và cơ chế điều khiển tối giản “một nút” cho hệ thống kiểm tra 3D tự động không tiếp xúc tăng tốc quy trình đảm bảo chất lượng kiểm tra sản phẩm đầu vào và đầu ra trong chuỗi sản xuất, hạ thấp chi phí chất lượng và tăng tốc thời gian sản phẩm ra thị trường

Ưu điểm:

Quét tự động chính xác cao toàn bộ 360 độ bề mặt của mẫu với sai số 10 microns

số cấp chính xác cao

Hình 1.15: Chống phản xạ đa chiều 3D - MRS)

- Quét mẫu đơn giản với cơ chế điều khiển tự động một nút

-Tăng tốc lựa chọn chương trình nhiệm vụ với Bar Code Part ID

- Cung cấp sự vận hành thân thiện với môi trường làm việc trong nhà máy và thời gian đào tạo vận hành ngắn

- Xuất báo cáo kiểm tra tự động bao gồm so sánh dữ liệu quét 3D với CAD tiêu chuẩn hoặc theo các bản mẫu có sẵn

- Chương trình off-line với các mẫu kiểm tra sơ bộ

- Loại trừ việc kiểm tra phụ thuộc vào đồ gá

- Cân chỉnh máy nhanh chóng và đơn giản

Mảng ứng dụng: máy scan 3d CyberGage360 có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp từ ngành tự động hóa, hàng không vũ trụ đến sản xuất sản phẩm điện tử và các lĩnh vực tốc độ kiểm tra sản phẩm đóng vai trò quan trọng trong chuỗi sản xuất

Nhận xét: máy Scan 3D Cybergage360 đạt được độ chính xác cao với công nghệ MRS, sai số thấp, cơ chế điều khiển “một nút” vận hành dễ dàng, hệ thống đo không tiếp súc làm mẫu không bị biến dạng

sáng tạo, nhiều bạn học sinh, sinh viên đã bắt tay nghiên cứu và chế tạo cho riêng mình những dòng máy Scan 3D khác nhau Tuy nhiên hầu hết trong số đó là để thỏa đam mê tìm tòi học hỏi công nghệ nên các sản phẩm máy Scan 3D còn thô sơ và vận hành với độ chính xác không cao

1.5.1 Máy Scan 3D nhóm sinh viên trường đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 1.16: Máy quét cơ thể người của nhóm sinh viên

Bắt tay vào thực hiện từ năm 2014, công trình “máy quét 3D kích thức cơ thể người” do nhóm sinh viên Mã Lập Phong (lớp CDT1-k56), của viện cơ khí, đại học Bách Khoa Hà Nội làm trưởng nhóm, nghiên cứu thành sản phẩm hoàn chỉnh Nghiên cứu được sử dụng trong lĩnh vực y tế và ngành công nghiệp thời trang Chi phí nghiên cứu: 30 triệu đồng

Máy quét 3D gồm có hệ cơ khí và hệ quang Hệ cơ khí gồm một bàn quay để người đứng lên , có thể quay 360 độ với tốc độ thấp

Máy chiếu độ phân giải: 1024x768

Phạm vi đo: 500x500x1800(mm)

Trọng lượng: 50kg

Hình 1.17: Máy quét 3D của kỹ sư Phan Huỳnh Lâm

Trước tình hình hệ thống máy quét 3D được sử dụng rất phổ biến, giúp đẩy mạnh sản xuất, tiết kiệm chi phí và tăng năng xuất, tuy nhiên giá thành lại rất cao Từ

đó kỹ sư Phan Huỳnh Lâm đã xây dựng mô hình máy quét 3D để có thể làm chủ công nghệ, giảm giá thành sản phẩm

Ưu điểm

- Giá rẻ

- Hoạt động ổn định

- Nội địa hóa 100%

- Có khả năng quét một lần với độ chính xác cao hơn mà các thiết bị ngoại nhập không làm được

- Độ chính xác không cao

- Thời gian quét còn lâu

- Máy còn khá to

Khắc phục:

- Cải thiện chức năng quét, thời gian quét của máy

- Sử dụng linh kiện tốt hơn

- Cải thiện sản phẩm nhỏ gọn hơn, độ phân giải tốt hơn

1.6 Rút ra kết luận

Kết luận: Từ việc đi nghiên cứu, đánh giá, nhận xét và rút kinh nghiệm từ những loại máy trên Trong đề tài này việc thiết kế một máy Scan 3D phải đảm bảo được các ưu điểm nổi bật , đồng thời loại bỏ những điểm yếu cố hữu Sản phẩm hoàn thiện trong đề tài phải đáp ứng được các tiêu chí sau đây:

- Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng di chuyển

- Chất lượng sản phẩm 3D ở mức cao

- Máy có độ bền cao, cứng vững, dễ dàng tháo lắp, vệ sinh

- Sử dụng đa dạng các nhu cầu khác nhau từ nghiên cứu đến thực tiễn

- Sử dụng được trên nhiều vật liệu khác nhau

- Phần mền sử dụng trực quan dễ sử dụng

1.7 Phương pháp nghiên cứu

Để phục vụ cho quá trình nghiên cứu chế tạo máy Scan 3D cần dựa vào lý thuyết của một số môn học như lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật số, thị giác máy tính….kết hợp với những môn chuyên ngành về cơ khí lẫn điện tử và điều khiển, ngoài ra còn tham khảo các tài liệu trên internet về những kiến thức bổ trợ, các phần mềm vận hành cũng như thiết kế máy để có thể phân tích và chọn ra phương án thiết

kế máy Scan3D phù hợp nhất thỏa mãn yêu cầu đề tài

2.1 Thiết kế máy Scan 3D

Dựa vào ưu nhược điểm từ những máy có sẵn trên thị trường, nhóm chúng em

đã thiết kế lại để phù hợp với việc học tập, nghiên cứu và phát triển

Hình 2.1: Tổng thể máy Scan 3D

Hình 2.2: Ảnh tổng thể 3D của máy Scan 3D

- Bàn xoay (A) có thể quay được 360 độ khi hoạt động, nhờ vậy camara và laser có thể bắt được hình ảnh toàn bộ của vật mẫu cần quét khi vật mẫu được đật trên bàn xoay

- Khớp nối (B) có chức năng kết nối động cơ với bàn xoay, có thể tháo lấp một cách dễ dàng

- Thân trên (C) có chức năng cố định khung máy thông qua các ống sắt tròn

có đường kính 12mm, giữ camara cố định khi máy hoạt động

- Đầu gá laser (D) có chức năng cố định laser với thân trên của máy thông qua ống sắt tròn có đường kính 12mm

- Ngoài ra còn có khớp nối 4 đầu để cố định cho khung dưới khi máy hoạt động

Hình 2.3: Bản vẽ bàn xoay