Thiết kế và chế tạo cánh tay robot bằng công nghệ in 3d

Các loại Robot công nghiệpđược ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy dần thay thế sức lao động của con người.. Bằng cách sử dụng công nghệ in 3D tiên tiến, chỉ cần thiết kế trước các thông

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY

ROBOT BẰNG CÔNG NGHỆ IN 3D

GVHD: NGUYỄN THANH TÂM SVTH : TRẦN KHÁNH KHOA MSSV: 14141156

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01/2019

S K L 0 0 5 6 4 4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Họ tên sinh viên: Trần Khánh Khoa MSSV: 14141156

Chuyên ngành: Điện tử Công ghiệp Mã ngành: 41

Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 14941

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT BẰNG

CÔNG NGHỆ IN 3D

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

- Chế tạo cánh tay robot 3 trục sử dụng động cơ bước

- Giao tiếp giữa phần mềm trên máy tính và cánh tay robot bằng tập lệnh gcode

2 Nội dung thực hiện:

- NỘI DỤNG 1: In 3D và lắp ráp cánh tay robot 3 bậc sử dụng động cơ bước

- NỘI DUNG 2: Thiết kế và thi công mạch điều khiển robot qua driver động cơ bước

- NỘI DUNG 3: Tìm hiểu tập lệnh Gcode trong CNC công nghiệp

- NỘI DUNG 4: Viết chương trình cho vi điều khiển điều khiển cánh tay robot qua tâp lệnh gcode

- NỘI DUNG 5: Giao tiếp phần mềm máy tính, điều khiển cánh tay robot thông qua tập lệnh Gcode cơ bản

- NỘI DUNG 6: Khảo sát phần mềm xuất Gcode điều khiển cánh tay robot

- NỘI DUNG 7: Khảo sát ứng dụng cánh tay robot điều khiển bằng tập lệnh Gcode: vẽ 2D, in 3D, khắc laser, khoan CNC,…

- NỘI DUNG 8: Lắp ráp và chạy thử nghiệm hệ thống

- NỘI DUNG 10: Viết sách luận văn

- NỘI DUNG 11: Phản biện và bổ sung, chỉnh sửa luận văn

- NỘI DUNG 12: Báo cáo đề tài tốt nghiệp

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/10/2018

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/01/2019

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Nguyễn Thanh Tâm

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT BẰNG CÔNG NGHỆ IN 3D

- Tiến hành thi công mạch

- Kiểm tra mạch thi công

Tuần 9, 10, 11

26/11/2018 – 16/12/2018

- Kiểm tra mạch thi công

- Viết chương trình điều khiển và thử nghiệm kiểm tra hoạt động của mạch điều khiển

LỜI CAM ĐOAN

Tôi – Trần Khánh Khoa cam đoan đồ án tốt nghiệp là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của thầy Th.S Nguyễn Thanh Tâm Các kết quả công bố trong đồ án tốt nghiệp là trung thực và không sao chép từ bất kỳ công trình nào khác

Người thực hiện đề tài

Trần Khánh Khoa

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đề tài này, em thực hiện xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy/Cô trong khoa Điện - Điện Tử, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, những người đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu, chỉ dẫn và định hướng cho em trong quá trình học tập Đây là những tiền đề để

em có thể hoàn thành được đề tài cũng như trong sự nghiệp sau này Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Thanh Tâm đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian thực hiện Đồ Án Tốt Nghiệp Em xin được phép gửi đến thầy lòng biết ơn, lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất Kiến thức, kinh nghiệm và cái tâm nghề nghiệp của thầy không những đã giúp đỡ nhóm hoàn thành tốt đề tài mà còn là tấm gương để nhóm học tập và noi theo trên con đường sau này Cuối cùng, mặc dù đã cố gắng hoàn thành nhiệm vụ đề tài đặt ra và đảm bảo thời hạn nhưng do kiến thức còn non yếu nên chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, mong quý Thầy/Cô và các bạn sinh viên thông cảm Rất mong nhận được những ý kiến của Thầy/Cô và các bạn sinh viên

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

Trang bìa……… ………i

Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp ii

Lịch trình thực hiện đồ án tốt nghiệp iv

Lời cam đoan v

Lời cảm ơn vi

Mục lục vii

Liệt kê hình vẽ x

Liệt kê bảng vẽ xii

Tóm tắt xiii

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.2.2 Phương pháp nghiên cứu 3

1.3 Nội dung nghiên cứu 3

1.4 Giới hạn 4

1.5 Bố cục 4

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 Tổng quan về robot 6

2.1.1 Quá trình phát triển 6

2.1.2 Ứng dụng của Robot 7

2.1.3 Phân loại Robot 8

2.2 Tổng quan về robot công nghiệp 12

2.2.1 Robot công nghiệp 12

2.2.2 Cấu trúc cơ bản của Robot công nghiệp 13

2.2.3 Kết cấu tay máy 14

2.3 Ngôn ngữ gcode trong ứng dụng cnc 17

2.3.1 Khái niệm Gcode 17

2.3.2 Các lệnh Gcode lập trình CNC căn bản 17

2.4 Công nghệ in 3d 25

2.6 Chuẩn truyền dữ liệu nối tiếp – uart 30

2.6.1 Khái niệm UART 30

2.6.2 Các thông số 30

2.7 Giới thiệu phần cứng 31

2.7.1 Driver A4988 động cơ bước 31

2.7.2 Động cơ bước 32

2.7.3 Arduino Uno R3 32

2.7.4 Board CNC Shield V3 34

2.7.5 Công tắc hành trình 34

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 35

3.1 Giới thiệu 35

3.2 Tính toán và thiết kế hệ thống 35

3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống 35

3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 36

Chương 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 49

4.1 Giới thiệu 49

4.2 Thi công phần cứng 49

4.2.1 Thi công cánh tay robot 49

4.2.2 Thi công mạch điều khiển 53

4.3 Lập trình hệ thống 54

4.3.1 Lưu đồ giải thuật 54

4.3.2 Phần mềm Arduino IDE 58

4.3.3 Phần mềm Inkscape tạo file gcode 60

4.3.4 Phần mềm gcode sender điều khiển cánh tay robot 61

4.4 Sử dụng gcode sender trên google chrome điều khiển cánh tay robot 62

Chương 5 KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 62

5.1 Kết quả 62

5.2 Nhận xét và đánh giá 62

5.3.1 Ưu điểm của hệ thống 62

5.3.2 Nhược điểm của hệ thống 63

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64

6.2 Hướng phát triển 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 PHỤ LỤC 67

LIỆT KÊ HÌNH VẼ

Hình 2.1: Sơ đồ động học của robot descart 8

Hình 2.2: Robot SCARA 9

Hình 2.3: Robot tay người 9

Hình 2.4: Robot thám hiểm vũ trụ 10

Hình 2.5: Robot trong dây chuyền lắp ráp 11

Hình 2.6: Robot phẫu thuật trong y khoa 11

Hình 2.7: Sơ đồ khối robot công nghiệp 14

Hình 2.8: Mô hình robot SCARA 16

Hình 2.9: Máy in 3D 25

Hình 2.10: Một số sản phẩm của in 3D 27

Hình 2.11: Mô hình hình học của cánh tay robot 3 bậc 28

Hình 2.12: Phân tích hình học không gian cánh tay robot 3 bậc 28

Hình 2.13: Driver A4988 điều khiển động cơ bước 31

Hình 2.14: Động cơ bước 32

Hình 2.15: Board arduino Uno R3 33

Hình 2.16: Board CNC shield v3 34

Hình 2.17: Công tắc hành trình 35

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 375

Hình 3.2: Sơ đồ chân arduino Uno R3 37

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lí arduino Uno R3 37

Hình 3.4: Giao diện phần mềm gcode sender 39

Hình 3.5: Sơ đồ chân CNC shield v3 40

Hình 3.6: Sơ đồ chân driver A4988 điều khiển động cơ bước 41

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lí driver A4988 42

Hình 3.8: Sơ đồ dây pha động cơ bước 43

Hình 3.9: Bộ truyền động bằng răng 43

Hình 3.10: Kích thước phần cánh tay robot 45

Hình 3.11: Kích thước phần đế robot 45

Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lí khối cảm biến vị trí 46

Hình 3.14: Sơ đồ nối dây toàn hệ thống 478

Hình 4.1: Các chi tiết in 3D của cánh tay robot 49

Hình 4.2: Phần đế cánh tay robot 50

Hình 4.3: Phần cánh tay của robot 51

Hình 4.4: Cánh tay robot hoàn chỉnh 51

Hình 4.5: Động cơ có lắp bánh răng hoàn chỉnh 52

Hình 4.6: Cánh tay robot lắp hoàn chỉnh động cơ 52

Hình 4.7: Lắp CNC shield v3 vào arduino và kết nối jump vi bước 53

Hình 4.8: Lắp driver A4988 vào CNC shield 53

Hình 4.9: Kết nối động cơ bước, cảm biến vị trí vào CNC shield 54

Hình 4.10: Lưu đồ chương trình điều khiển 55

Hình 4.11: Lưu đồ chương trình con di chuyển đến vị trí làm việc gốc 56

Hình 4.12: Lưu đồ chương trình con thực thi lệnh gcode 57

Hình 4.13: Giao diện phần mềm arduino IDE 59

Hình 4.14: Giao diện phần mềm Inscape trên window 60

Hình 4.15: Giao diện phần mềm gcode sender trên window 61

Hình 4.16: Giao diện gcode sender trên google chrome app 62

Hình 4.17: Cài đặt thông số làm viêc cho hệ thống 62

Hình 4.18: Kết nối cổng COM đến gcode sender 63

Hình 4.19: Các nút nhấn điều khiển tọa trên gcode sender 63

Hình 4.20: Đọc file và thực thi lệnh gcode trên gcode sender 64

LIỆT KÊ BẢNG VẼ

Bảng 2.1: Tập lệnh G cơ bản 18

Bảng 2.2: Tập lệnh M cơ bản 23

Bảng 2.3: Thông số kĩ thuật arduino Uno R3 33

Bảng 3.1: Kết nối jump chốt điều khiển vi bước điều khiển động cơ bước 41

Bảng 3.2: Điện áp và dòng điện tiêu thụ của các linh kiện trong hệ thống 47

TÓM TẮT

gày nay, sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ hiện nay đã làm cho cuộc sống của con người trở nên hiện đại hơn Cùng với xu hướng phát triển của khoa học kĩ thuật ngày càng mạnh mẽ trên toàn thế giới, thì việc áp dụng chúng vào cuộc sống luôn mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt là trong sản xuất công nghiệp Các loại Robot công nghiệpđược ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy dần thay thế sức lao động của con người Có thể dễ dàng bắt gặp nhất là các loại cánh tay Robot chuyển động nhịp nhàng các thao tác chuyên nghiệp đã được con người lập trình trước đó Bằng cách sử dụng công nghệ in 3D tiên tiến, chỉ cần thiết

kế trước các thông số kỹ thuật của sản phẩm thông qua các phần mềm thiết kế chuyên dụng, việc chế tạo một cánh tay Robot dùng cho việc mô phỏng chuyển động của

chúng trong các ứng dụng có liên quan trong công nghiệp Đề tài “Thiết kế và chế

tạo cánh tay Robot bằng công nghệ in 3D” sẽ phần nào giúp chúng ta thực hiện các

công việc trên

N

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Theo một nghiên cứu thì trong vòng 20 năm nữa, việc sử dụng robot cá nhân cũng sẽ giống như nhu cầu sử dụng máy tính PC hiện nay Robot sẽ là tâm điểm của một cuộc cách mạng công nghệ lớn sau Internet Các ứng dụng truyền thống của robot trong công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí và đặc biệt trong an ninh quốc phòng ngày càng được con người chú trọng và các dịch vụ ăn theo robot sẽ vô cùng lớn

Robot tổng hợp trong nó cả khoa học và công nghệ Để một robot ra đời, ta cần có các tri thức của toán học, cơ học, vật lý, điện tử, lý thuyết điều khiển, khoa học tính toán và nhiều tri thức khác Để có thể ứng dụng được Robot, ta cần biết rõ

về đối tượng ứng dụng vì đây là sản phẩm tích hợp cả khoa học và công nghệ với độ phức tạp cực kì cao Hơn nửa thế kỉ qua, Robot đã có những tiến bộ đáng kể Vào những năm 60, Robot đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp để thay thế con người làm các công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại Robot công nghiệpcần có những khả năng thích ứng linh hoạt và thông minh hơn do nhu cầu cần

sử dụng ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp Các ứng dụng khác như trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng và gia đình đang có nhu cầu gia tăng đang là động lực cho các Robot địa hình

và Robot dịch vụ phát triển so với các ứng dụng sơ khai ban đầu của rô bốt trong chế tạo máy

Có thể kể đến một số loại Robot được quan tâm nhiều trong thời gian qua là: tay máy Robot (Robot Manipulators), Robot di động (Mobile Robots), Robot sinh học (Bio Inspired Robots) và Robot cá nhân (Personal Robots) Tay máy Robot bao gồm các loại Robot công nghiệp(Industrial Robot), Robot y tế (Medical Robot) và Robot trợ giúp người tàn tật (Rehabilitation robot) Robot di động được nghiên cứu nhiều như xe tự hành trên mặt đất AGV (Autonomous Guided Vehicles), Robot tự hành dưới nước AUV (Autonomous Underwater Vehicles), Robot tự hành trên không UAV (Unmanned Arial Vehicles) và Robot vũ trụ (Space robots) Với Robot sinh học, các nghiên cứu thời gian qua tập trung vào 2 loại chính là Robot đi (Walking robots) và Robot dáng người (Humanoid Robots) Bên cạnh đó, các loại Robot phỏng

sinh học dưới nước như Robot cá, các cấu trúc chuyển động phỏng theo sinh vật biển cũng được nhiều nhóm nghiên cứu phát triển

Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển Robot đã có những bước tiến đáng kể trong 25 năm vừa qua Nhiều đơn vị trên toàn quốc thực hiện các nghiên cứu cơ bản

và nghiên cứu ứng dụng về Robot như Trung tâm Tự động hoá, Đại học Bách Khoa

Hà Nội, Viện Điện tử, Tin học, Tự động hoá thuộc Bộ Công nghệp, Đại học Bách khoa TP.HCM, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Cơ học, Viện Công nghệ thông tin thuộc Viện KHCNVN Bên cạnh đó còn phải

kể đến Công ty Cổ phần Robot TOSY, doanh nghiệp thiết kết và chế tạo Robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trên trường quốc tế

Mặc dù về cấu trúc các loại Robot có nhiều điểm khác nhau nhưng các nghiên cứu hiện nay đều hướng về các ứng dụng dịch vụ và hoạt động của Robot trong sản xuất công nghiệp Trong các loại Robot công nghiệp thì cánh tay robot sử dụng động

cơ bước được sử dụng nhiều nhất vì độ chính xác và chịu tải tốt, cánh tay robot này

có thể thay thế con người trong khâu phân loại, lắp ráp, vận chuyển, sắp xếp hàng hóa,… Mô hình cánh tay robot 3 bậc tự do điều khiển thông qua tập lệnh Gcode cho

độ chính xác cao, phù hợp với chuẩn điều khiển máy CNC công nghiệp, tương thích với hầu hết các phần mềm điều khiển máy CNC hiện nay Các ứng dụng mở rộng dành cho cánh tay robot như: máy vẽ, máy khắc laser, máy in 3D, máy phay CNC,… Chính vì những lý do trên, nhóm nghiên cứu đã mạnh dạn nghiên cứu đề tài:

“Thiết kế và chế tạo cánh tay Robot bằng công nghệ in 3D” Đề tài tập trung vào

thiết kế mô hình cánh tay robot điều khiển theo tập lệnh gcode hợp chuẩn CNC, giao tiếp và điều khiển thông qua phần mềm xuất gcode trên máy tính

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu

- Hiểu và thực hiện được qui trình in 3D và lắp ráp cánh tay robot 3 bậc

- Hiểu và tính toán được tỉ số truyền từ động cơ sang 3 trục cánh tay

- Khảo sát và tính toán được các phương trình động học nghịch của cánh tay robot

3 bậc

- Hiểu và thực hiện được phương thức giao tiếp, điều khiển cánh tay robot thông qua tập gcode căn bản

- Thiết kế và lắp ráp mạch điều khiển cánh tay robot sử dụng Arduino và CNC shield:

 Lắp ráp CNC shiled với Arduino Uno R3

 Lắp ráp driver A4988 điều khiển động cơ bước trên CNC shiled

 Kết nối động cơ bước với CNC shiled

 Kết nối jump chốt trên CNC shiled cho điều khiển vi bước động cơ

 Thiết kế 3 công tắc hành trình cảm biến vị trí gốc tọa độ làm việc cánh tay

 Thiêt kế và lắp ráp công cụ vẽ trên đầu cánh tay robot

- Khảo sát và thực hiện được điều khiển cánh tay robot sử dụng phần mềm Gcode sender chuyên dụng trong điều khiển máy CNC mini

 Gcode sender trên window

 Gcode sender trên google chrome

- Khảo sát các ứng dụng thực tế của cánh tay robot điều khiển bằng chuẩn gcode

1.2.2 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp tổng hợp, vừa khảo sát lý thuyết thông qua những tài liệu, đề tài có liên quan đã được nghiên cứu trước đây Từ đó rút ra ưu điểm và nhược điểm của những đề tài này để tối ưu hóa việc thực hiện đề tài Ngoài ra, việc thực nghiệm sản phẩm mẫu để kiểm tra, chỉnh sửa thường xuyên góp phần hoàn thiện mô hình đề tài

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- In 3D và lắp ráp cánh tay robot 3 trục sử dụng động cơ bước

- Thiết kế và thi công mạch điều khiển robot qua driver động cơ bước

- Tìm hiểu tập lệnh Gcode trong CNC công nghiệp

- Viết chương trình cho vi điều khiển, điều khiển cánh tay robot qua tâp lệnh gcode cơ bản

- Giao tiếp phần mềm máy tính, điều khiển cánh tay robot thông qua tập lệnh Gcode cơ bản

- Khảo sát phần mềm xuất Gcode điều khiển cánh tay robot

- Khảo sát ứng dụng cánh tay robot điều khiển bằng tập lệnh Gcode: vẽ 2D, in 3D, khắc laser, khoan CNC,…

- Lắp ráp và chạy thử nghiệm hệ thống

- Cải tiến mô hình sản phẩm

- Viết sách luận văn

- Phản biện và bổ sung, chỉnh sửa luận văn

- Báo cáo đề tài tốt nghiệp

1.4 GIỚI HẠN

- Cánh tay robot loại 3 bậc sử dụng động cơ bước

- Sử dụng các lệnh Gcode cơ bản

- Mạch điều khiển sử dụng arduino Uno R3 và CNC shield V3

- Động cơ bước sử dụng động cơ bước size 42

- Kính thước cánh tay robot: 25x25x25cm (chiều dài x chiều rộng x chiều cao)

- Phần mềm mã nguồn mở trên máy tính cho điều khiển cánh tay robot

- Demo ứng dụng vẽ trong tọa độ 3 chiều

1.5 BỐ CỤC

Chương 1: Tổng Quan

Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung

nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án đề tài: “Thiết kế và chế tạo cánh

tay Robot bằng công nghệ in 3D”

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương này trình bày giới thiệu phần cứng, lựa chọn linh kiện thiết bị được

sử dụng và giới thiệu khái quát về chức năng, thông số kĩ thuật của các linh kiện đó, chuẩn giao tiếp sử dụng Từ đó, tạo cơ sở để tiến hành thi công hệ thống cánh tay robot thực tiễn

Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán

Chương này trình bày sơ đồ khối của hệ thống, giải thích các khối, quy trình hoạt động và tính toán các thông số cần thiết của cánh tay robot Trình bày và giải thích sơ đồ nguyên lí Tiếp theo là trình bày nội dung tiến hành thi công

Chương 4: Thi Công Hệ Thống

Chương này trình bày các bước khi công hệ thống: thi công phần cứng cánh tay robot, thi công mạch điều khiển Xây dựng lưu đồ thuật toán chương trình điều

Chương 5: Kết quả, Nhận Xét và Đánh Giá

Chương này trình bày kết quả đã đạt được, nhận xét đánh giá về hệ thống, hình ảnh thực tế và hoạt động của cánh tay robot

Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Trong chương cuối này, trình bày những kết luận rút ra được sau quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài, kết luận về khả năng hoạt động của thiết bị trong thực tế Qua đó đưa ra những kiến nghị và đề xuất hướng phát triển của đề tài

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT

2.1.1 Quá trình phát triển

Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng sản xuất Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở NewYork vào ngày 09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp (nay là Cộng hòa Sec) Karen Kapek viết năm 1921, còn từ robot là cách gọi tắt của từ robota - theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch Những robot thực sự có ích được nghiên cứu để đưa vào các ứng dụng trong công nghiệp thực sự lại là những tay máy Vào năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương

tự sử dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối Sử dụng những thành quả đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho

ra đời tay máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển Năm 1968 R.S Mosher, thuộc hãng General Electric, đã chế tạo một thiết bị biết đi có bốn chân, có chiều dài hơn 3m, nặng 1.400kg, sử dụng động cơ đốt trong có công suất gắn 100 mã lực Cũng trong lĩnh vực này, một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã đạt được vào năm

1970 là xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1 được điều khiển từ trái đất

Năm 1952 máy điều khiển chương trình số đầu tiên ra đời tại Học Viện Công nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ) Trên cơ sở đó năm 1954, George Devol đã thiết kế robot lập trình với điều khiển chương trình số đầu tiên nhờ một thiết bị do ông phát minh được gọi là thiết bị chuyển khớp được lập trình Joseph Engelberger, người mà ngày nay thường được gọi là cha đẻ của robot công nghiệp, đã thành lập hãng Unimation sau khi mua bản quyền thiết bị của Devol và sau đó đã phát triển những thế hệ robot điều khiển theo chương trình Năm 1962, robot Unmation đầu tiên được đưa vào sử dụng tại hãng General Motors; và năm 1976 cánh tay robot đầu tiên trong không gian đã được sử dụng trên tàu thám hiểm Viking của cơ quan Không Gian NASA của Hoa Kỳ để lấy mẫu đất trên sao Hoả

Trong hoạt động sản xuất, đa số những Robot công nghiệpcó hình dạng của

“cánh tay cơ khí”, cũng chính vì vậy mà đôi khi ta gặp thuật ngữ người máy - tay máy trong những tài liệu tham khảo và giáo trình về robot

2.1.2 Ứng dụng của Robot

Công nghệ robot đang được ứng dụng vào mọi lĩnh vực đời sống, xã hội, mang lại nhiều thay đổi mạnh mẽ cho nền kinh tế

Ứng dụng trong y tế: nhiều loại robot được con người chế tạo để phục vụ trong các

ca phẫu thuật phức tạp như sử dụng robot O-arm trong phẫu thuật cột sống Điều đó

có ý nghĩa rất lớn vì trong phẫu thuật cột sống, chỉ sai số rất nhỏ có thể gây tai biến cho bệnh nhân Bởi vậy, trong phẫu thuật bệnh lý khớp thì phẫu thuật bằng robot sẽ cho chất lượng khác biệt, đặc biệt với trường hợp phải thay khớp Vì có độ chính xác cực cao so với tay kỹ thuật viên thao tác nên nội soi bằng robot trong phẫu thuật thần kinh là rất lý tưởng!

Ứng dụng trong giáo dục: cuộc cách mạng công nghệ 4.0 hiện nay là điều kiện thuận lợi cho các nhà khoa học, kỹ sư chế tạo ra các robot với trí thông minh nhân tạo (AI) gần như có thể thay thế con người trong việc dạy học hoặc hỗ trợ học sinh trong việc học tập

Ứng dụng trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, xây dựng: nhiều loại Robot công nghiệpra đời như cánh tay robot sắp xếp hàng hóa trong các nhà xưởng, robot hỗ trợ cấy lúa trên đồng ruộng, robot đào đường hầm để xây dựng các công trình nhầm dưới lòng đất

Ứng dụng trong khoa học vũ trụ: đây là một trong những tiến bộ vượt bật của nhân loại khi nhờ có các robot thám hiểm không gian, con người có thể tìm hiểu về các hành tinh trong hệ mặt trời, khảo sát bề mặt sao hỏa, tìm kiếm sự sống ngoài không gian, các thiết bị tối tân nhất của nhân loại đang dần đi ra khỏi hệ mặt trời Trong CMCN 4.0 việc ứng dụng tự động hóa, trí tuệ nhân tạo vào sản xuất, kinh doanh là một xu hướng tất yếu nhằm tạo ra năng suất lao động cao Trên thế giới đã

có nhiều nhà máy sử dụng toàn bộ hệ thống dây chuyền sản xuất tự động hóa, đưa robot vào thay thế sức lao động của con người, tạo ra các sản phẩm tốt, độ chính xác cao, năng suất lao động vượt trội

2.1.3 Phân loại Robot

Ngày nay, người ta vẫn còn đang tranh cãi về vấn đề: “Một loại máy như thế nào thì đủ tiêu chuẩn để được gọi là một robot?” Một cách gần chính xác, robot phải

có một vài (không nhất thiết phải đầy đủ) các đặc điểm sau đây:

- Không phải là tự nhiên, tức là do con người sáng tạo ra

- Có khả năng nhận biết môi trường xung quanh

- Có thể tương tác với những vật thể trong môi trường

- Có sự thông minh, có khả năng đưa ra các lựa chọn dựa trên môi trường và được điều khiển một cách tự động theo những trình tự đã được lập trình trước

- Có khả năng điều khiển được bằng các lệnh để có thể thay đổi tùy theo yêu cầu của người sử dụng

- Có thể di chuyển quay hoặc tịnh tiến theo một hay nhiều chiều

- Có sự khéo léo trong vận động

Thế giới robot hiện nay đã rất phong phú và đa dạng, vì vậy phân loại chúng không đơn giản Có rất nhiều quan điểm phân loại khác nhau Mỗi quan điểm phục

vụ một mục đích riêng Tuy nhiên, có thể nêu ra đây 3 cách phân loại cơ bản: theo kết cấu, theo điều khiển và theo phạm vi ứng dụng của robot

 Phân loại theo kết cấu: Theo kết cấu (hay theo hình học), người ta phân robot

thành các loại: descart, trụ, cầu, SCARA, kiểu tay người và các dạng khác

Hình 2.1: Sơ đồ động học của robot descart

 Phân loại theo điều khiển:

 Điều khiển hở, dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén,… ) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển Kiểu điều khiển này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp

 Điều khiển kín (hay điều khiển servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tãng độ chính xác điều khiển Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm – điểm và điều khiển theo đường (contour)

 Với kiểu điều khiển điểm – điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao (không làm việc) Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, bắn đinh,…

Hình 2.2: Robot SCARA

Hình 2.3: Robot tay người

 Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được Có thể gặp kiểu điểu khiển này trên các robot hàn hồ quang, phun sơn

 Phân loại theo ứng dụng: Cách phân loại này dựa vào ứng dụng của robot Ví dụ,

có robot công nghiệp, robot dùng trong nghiên cứu khoa học, robot dùng trong

kỹ thuật vũ trụ, robot dùng trong quân sự,…

Hình 2.4: Robot thám hiểm vũ trụ

Hình 2.5: Robot trong dây chuyền lắp ráp

Hình 2.6: Robot phẫu thuật trong y khoa

2.2 Tổng quan về robot công nghiệp

2.2.1 Robot công nghiệp

Hầu hết robot hiện đang có đều được dùng trong công nghiệp Chúng có đặc điểm riêng về kết cấu, chức năng, đã được thống nhất hoá, thương mại hoá rộng rãi Lớp robot này được gọi là Robot công nghiệp

Kỹ thuật tự động hoá trong công nghiệp đã đạt tới trình độ rất cao: không chỉ

tự động hoá các quá trình vật lý mà cả các quá trình xử lý thông tin Vì vậy, tự động hoá trong công nghiệp tích hợp công nghệ sản xuất, kỹ thuật điện, điện tử, kỹ thuật điều khiển tự động trong đó có tự động hoá nhờ máy tính

Hiện nay, trong công nghiệp tồn tại 3 dạng tự động hoá:

- Tự động hoá cứng được hình thành dưới dạng các thiết bị hoặc dây chuyền chuyên môn hoá theo đối tượng Nó được ứng dụng có hiệu quả trong điều kiện sản xuất hàng khối với sản lượng rất lớn các sản phẩm cùng loại

- Tự động hoá khả trình được ứng dụng chủ yếu trong sản xuất loạt nhỏ, loạt vừa, đáp ứng phần lớn nhu cầu sản phẩm công nghiệp Hệ thống thiết bị dạng này là các thiết bị vạn năng điều khiển số, cho phép dễ dàng lập trình lại để có thể thay đổi chủng loại (tức là thay đổi quy trình công nghệ sản xuất) sản phẩm

- Tự động hoá linh hoạt là dạng phát triển của tự động hóa khả trình Nó tích hợp công nghệ sản xuất với kỹ thuật điều khiển bằng máy tính, cho phép thay đổi đối tượng sản xuất mà không cần (hoặc hạn chế) sự can thiệp của con người Tự động hóa linh hoạt được biểu hiện dưới 2 dạng: tế bào sản xuất linh hoạt và hệ thống sản xuất linh hoạt

Robot công nghiệpcó 2 đặc trưng cơ bản:

- Là thiết bị vạn năng, được tự động hóa theo chương trình và có thể lập trình lại để đáp ứng một cách linh hoạt, khéo léo các nhiệm vụ khác nhau

- Được ứng dụng trong những trường hợp mang tính công nghiệp đặc trưng, như vận chuyển và xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường,…

Vì thể hiện 2 đặc trưng cơ bản trên của robot công nghiệp, hiện nay định nghĩa sau đây về Robot công nghiệpdo Viện nghiên cứu robot của Mỹ đề xuất được sử dụng rộng rãi:

Robot công nghiệplà tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết

bị chuyên dùng khác

Robot công nghiệplà máy tự động được đặt cố định hay di động, bao gồm thiết

bị thừa hành dạng tay máy có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chương trình, có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

Chức năng vận động bao gồm các hoạt động “cơ bắp” như vận chuyển, định hướng, xếp đặt, gá kẹp, lắp ráp,… đối tượng Chức năng điều khiển ám chỉ vai trò của robot như một phương tiện điều hành sản xuất, như cung cấp dụng cụ và vật liệu, phân loại và phân phối sản phẩm, duy trì nhịp sản xuất và thậm chí cả điều khiển các thiết bị liên quan

Với đặc điểm có thể lập trình lại, Robot công nghiệp thiết bị tự động hóa khả trình và ngày càng trở thành bộ phận không thể thiếu được của các tế bào hoặc hệ thống sản xuất linh hoạt

2.2.2 Cấu trúc cơ bản của Robot công nghiệp

Một robot công nghiệp được cấu thành bởi các hệ thống sau:

Hình 2.7: Sơ đồ khối robot công nghiệp

- Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp Chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay

để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng

- Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thuỷ lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng

- Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường

- Hệ thống điều khiển hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot

2.2.3 Kết cấu tay máy

Tay máy là phẩn cơ sở, quyết định khả năng làm việc của Robot công nghiệp Đó

là thiết bị cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian và khả năng làm việc, như nâng hạ vật, lắp ráp,… Ý tưởng ban đầu của việc thiết kế và chế tạo tay máy là phỏng tác cấu tạo và chức năng của tay người Về sau, đây không còn

là điều bắt buộc nữa Tay máy hiện nay rất đa dạng và nhiều loại có dáng vẻ khác rất

xa với tay người Tuy nhiên, trong kỹ thuật robot người ta vẫn dùng các thuật ngữ quen thuộc, như vai (Shoulder), cánh tay (Arm), cổ tay (Wrist), bàn tay (Hund) và các khớp (Articulations)…

Trong thiết kế và sử dụng tay máy, người ta quan tâm đến các thông số có ảnh hướng lớn đến khả năng làm việc của chúng, như:

- Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay,…

- Tầm với hay vùng làm việc: kích thước và hình dáng vùng mà phần công tác

có thể với tới

- Sự khéo léo, nghĩa là khả năng định vị và định hướng phần công tác trong vùng làm việc Thông số này liên quan đến số bậc tự do của phần công tác

Để định vị và định hướng phần công tác một cách tuỳ ý trong không gian 3 chiều

nó cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị, 3 bậc tự do để định hướng Một số công việc như nâng hạ, xếp dỡ,… yêu cầu số bậc tự do ít hơn 6 Robot hàn, sơn thường có 6 bậc tự do Trong một số trường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc cần tối ưu hoá quỹ đạo,… người ta có thể dùng robot với số bậc tự do lớn hơn 6 Các tay máy có đặc điểm chung về kết cấu là gồm có các khâu, được nối với nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở, tính từ thân đến phần công tác Các khớp được dùng phổ biến là khớp trượt và khớp quay Tuỳ theo số lượng và cách

bố trí các khớp mà có thể tạo ra tay máy kiểu tọa độ đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, SCARA và kiểu tay người (Anthropomorphic)

Tay máy kiểu tọa độ decart còn gọi là kiểu chữ nhật, dùng 3 khớp trượt, cho phép phần công tác thực hiện một cách độc lập các chuyển động thẳng, song song với

3 trục toạ độ Vùng làm việc của tay máy có dạng hình hộp chữ nhật Do sự đơn giản

về kết cấu, tay máy kiểu này có độ cứng vững cao, độ chính xác được đảm bảo đồng đều trong toàn bộ vùng làm việc, nhưng ít khéo léo Vì vậy, tay máy kiểu đề các được dùng để vận chuyển và lắp ráp

Tay máy kiểu tọa độ trụ khác với tay máy kiểu đề các ở khớp đầu tiên: dùng khớp quay thay cho khớp trượt Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng

Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy “thò” được vào khoang rỗng nằm ngang

Độ cứng vững cơ học của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng, nhưng độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng

Tay máy kiểu tọa độ cầu khác kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) được thay bằng khớp quay Nếu quỹ đạo chuyển động của phần công tác được mô tả trong toạ

độ cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc của nó là khối cầu rỗng Độ cứng vững của loại tay máy này thấp hơn 2 loại trên và

độ chính xác định vị phụ thuộc vào tầm với Tuy nhiên, loại này có thể “nhặt” được

cả vật dưới nền.SCARA được đề xuất lần đầu vào năm 1979 tại Trường đại học Yamanashi (Nhật bản) dùng cho công việc lắp ráp Đó là một kiêu tay máy có cấu tạo đặc biệt, gồm 2 khớp quay và 1 khớp trượt, nhưng cả 3 khớp đều có trục song song với nhau Kết cấu này làm tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững (Compliance) theo phương được chọn (Seirective), là phương ngang Loại này chuyên dùng cho công việc lắp ráp (Assembly) với tải trọng nhỏ, theo phương thẳng đứng Từ SCARA là viết tắt của “Selective Compliance Assembly Robot Arm” để mô tả các đặc điểm trên Vùng làm việc của SCARA là một phần của hình trụ rỗng

Tay máy kiểu tay người (Anthropomorphic), như được mô tả trong hình 1.8,

có cả 3 khớp đều là các khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với 2 trục kia

Do sự tương tự với tay người, khớp thứ hai được gọi là khớp vai (Shoulder joint), khớp thứ ba là khớp khuỷu (Elbow joint), nối cẳng tay với khuỷu tay Với kết cấu

Hình 2.8: Robot SCARA

này, không có sự tương ứng giữa khả năng chuyển động của các khâu và số bậc tự

do Tay máy làm việc rất khéo léo, nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vị trí của phần công tác trong vùng làm việc Vùng làm việc của tay máy kiểu này gần giống một phần khối cầu

Toàn bộ dạng các kết cấu tả ở trên mới chỉ liên quan đến khả năng định vị của phần công tác Muốn định hướng nó, cần bổ sung phần cổ tay Muốn định hướng một cách tuỳ ý phần công tác, cổ tay phải có ít nhất 3 chuyển động quay quanh 3 trục vuông góc với nhau Trong trường hợp trục quay của 3 khớp gặp nhau tại một điểm thì ta gọi đó là khớp cầu (hình 1.9) Ưu điểm chính của khớp cầu là tách được thao tác định vị và định hướng của phần công tác, làm đơn giản việc tính toán Các kiểu khớp khác có thể đơn giản hơn về kết cấu cơ khí, nhưng tính toán toạ độ khó hơn, do không tách được 2 loại thao tác trên

Phần công tác là bộ phận trực tiếp tác động lên đối tượng Tuỳ theo yêu cầu làm việc của robot, phần công tác có thể là tay gắp (Gripper), công cụ (súng phun sơn, mỏ hàn, dao cắt, chìa vặn ốc,…)

2.3 NGÔN NGỮ GCODE TRONG ỨNG DỤNG CNC

2.3.1 Khái niệm Gcode

GCode là một ngôn ngữ lập trình trên máy tính được sử dụng trong điều khiển

số GCode được hỗ trợ bởi máy tính trong việc tự động hoá, được ứng dụng phổ biến trong các máy CNC để điều khiển sự di chuyển của phôi và trục chính, nó cũng thông qua các thiết bị đã có để thông báo hoặc yêu cầu máy CNC tham gia vào quá trình làm việc với hướng di chuyển hay tốc độ di chuyển,…

Ngôn ngữ GCode cũng giúp điều khiển máy CNC thực hiện được công việc cắt bỏ những phần dư thừa trên bề mặt vật thể để có thể tạo ra được các sản phẩm vừa

ý, đúng theo yêu cầu từ trước

Đôi khi, ngôn ngữ GCode còn được gọi là ngôn ngữ lập trình G Hệ điều hành của máy sẽ tự động dịch các bản vẽ, ngôn ngữ viết của con người sang các mã GCode

để máy có thể hiểu và tự hoạt động được

2.3.2 Các lệnh Gcode lập trình CNC căn bản

Các lệnh Gcode CNC tiếng Việt chủ yếu được sử dụng và cài đặt trong các máy CNC tại Việt Nam, nguyên bản gốc của nó là sử dụng bằng tiếng Anh Một số các lệnh G lập trình CNC căn bản cần biết như sau:

Nhóm lệnh G:

Bảng 2.1: Tập lệnh G cơ bản

G00 Xác định vị trí

G01 Nội suy tuyến tính

G02 Nội suy cung tròn/xoắn vít/ xoắn Acsimet cùng chiều kim đồng hồ

G03 Nội suy cung tròn/xoắn vít/ xoắn Acsimet ngược chiều kim đồng

G20 Đặt đơn vị làm việc theo hệ inch

G21 Đặt đơn vị làm việc theo hệ mm

G27 Quay về gốc máy

G28 Trở quay về gốc máy tự động

G29 Quay về gốc máy thứ 2, thứ 3 hoặc thứ 4

G30 Điểm O thứ hai /thứ ba/ thứ tư

G31 Bỏ qua lệnh

G33 Cắt ren

G40 Huỷ bỏ hiệu chỉnh bù bán kính

G41 Hiệu chỉnh bán kính dụng cụ cắt, dao ở bên trái công tua gia công

G42 Hiệu chỉnh bán kính dụng cụ cắt, dao ở bên phải công tua gia công

G43 Bù chiều dài dụng cụ , +

G44 Bù chiều dài dụng cụ , -

G45 Bù vị trí dụng cụ, tăng

G46 Bù vị trí dụng cụ, giảm

G47 Bù vị trí dụng cụ, tăng 2 lần

G48 Bù vị trí dụng cụ, giảm 2 lần

G49 Huỷ bù chiều dài dụng cụ

G52 Đặt hệ toạ độ địa phương

G53 Lựa chọn hệ toạ độ máy

G54 Lựa chọn hệ toạ độ phôi thứ nhất

G55 Lựa chọn hệ toạ độ phôi thứ hai

G56 Lựa chọn hệ toạ độ phôi thứ ba

G57 Lựa chọn hệ toạ độ phôi thứ tư

G58 Lựa chọn hệ toạ độ phôi thứ năm

G59 Lựa chọn hệ toạ độ phôi thứ sáu

G60 Tiếp cận theo một hứớng

G61 M lệnh dừng chính xác

G63 Chế độ Taro

G64 Chế độ cắt gọt (chế độ kiểm tra dừng chính xác)

G65 Gọi marco

G66 Gọi nhóm marco

G67 Huỷ gọi nhóm marco

G73 Gia công lỗ sâu tốc độ cao

G74 Chu trình taro

G76 Chu trình khoét lỗ

G80 Huỷ chu trình gia công lỗ

G81 Chu trình khoan lỗ nông

G87 Chu trình khoét lỗ, mặt sau

G97 Huỷ tốc độ bề mặt không đổi

G98 Đặt kiểu rút dao, trong chu trình gia công lỗ

G99 Đặt kiểu rút dao, trong chu trình gia công lỗ

M03 Quay trục chính bên phải

M04 Quay trục chính bên trái

M05 Dừng trục chính

M06 Thay dụng cụ

M07 kích hoạt quá trình bơm dầu trơn nguội

M08 Phun dầu tưới nguội

M09 Tắt dung dịch trơn nguội, Tắt bơm dầu

M29 Dạng taro cứng

M30 Kết thúc chương trình

M80 Vòi phun rửa phoi ON

M81 Vòi phun rửa phoi OFF

2.4 CÔNG NGHỆ IN 3D

Công nghệ in 3D là quá trình tạo ra các mô hình vật lý (mẫu thực) từ mô hình

số hóa (file thiết kế 3D trên máy tính) một cách tự động thông qua các máy in 3D

Quy trình in 3D:

- Tạo mô hình 3D (CAD Model Creation): Trước tiên, đối tượng được mô hình hóa bằng cách sử dụng một thiết kế với sự trợ giúp của máy tính, lập mô hình khối 3D bằng các phần mềm như: Solidworks, ProE, Zbrush, Sketchup, Các nhà thiết kế có thể sử dụng một tập tin CAD có từ trước hoặc tạo mới theo mục đích tạo mẫu Quá trình này giống hệt nhau đối với các loại kỹ thuật tạo mẫu nhanh khác nhau

- Chuyển đổi sang định dạng STL (Conversion to STL format): Các phần mềm 3D

khác nhau sử dụng thuật toán khác nhau để thể hiện vật thể 3D (Solid part), để thiết lập tính thống nhất – định dạng STL (stereolithography) đã được áp dụng như là tiêu chuẩn của ngành công nghiệp tạo mẫu nhanh Định dạng này là quỹ tích của các mặt tam giác liên kết liên tục với nhau thể hiện bề mặt của vật thể trong không gian ba chiều Do định dạng STL sử dụng các yếu tố mặt phẳng (planar triangles) nên nó không thể hiện bề mặt cong một cách chính xác Tăng

số lượng mặt tam giác có thể cải thiện độ mịn của bề mặt cong nhưng sẽ làm dung lượng file tăng Các chi tiết lớn, phức tạp sẽ cần nhiều thời gian cho khâu tiền xử

Hình 2.9: Máy in 3D

lý và xây dựng định dạng STL Do đó, người thiết kế phải cân nhắc giữa yếu tố thời gian, dung lượng file và độ chính xác để có được một file STL tối ưu nhất

- Cắt file STL (Slice the STL file): trong bước này, một chương trình tiền xử lý

file STL sẽ được xây dựng, một số chương trình có sẵn và hầu hết cho phép người dùng điều chỉnh kích thước, vị trí và hướng mô hình

- Xác định hướng đặt rất quan trọng với nhiều lý do:

 Tính chất của mẫu tạo thành sẽ thay đổi tương đồng với phương hướng giá đặt

 Ví dụ: mẫu sẽ yếu hơn và chính xác không cao theo phương Z so với phương

XY

 Hướng đặt mô hình quyết định thời gian in mô hình Vì thế nên đặt

phương ngắn nhất của vật thể theo hướng Z của thiết bị để giảm số lượng các lớp do đó rút ngắn thời gian in

Mỗi lát cắt (layer) có bề dày dao động từ 0.016mm đến 0.7mm, tùy theo công nghệ

 Chương trình cũng đồng thời tạo ra một cấu trúc vật liệu hỗ trợ đỡ các mô hình trong quá trình in (gọi là vật liệu support) Nó hỗ trợ hữu ích cho các tính năng của mô hình như: phần nhô ra không chân (beam); lỗ rỗng bên trong và phần vách mỏng Mỗi nhà sản xuất máy in 3D cung cấp phần mềm lập trình in 3d của riêng mình

- Xây dựng mô hình (Layer by layer): đây là bước chủ đạo của quy trình tạo mẫu nhanh, nó sử dụng một trong những kỹ thuật khác nhau (RP techniques) Hệ thống xây dựng từng lớp vật liệu từ: polyme, dung dich nhựa lỏng, giấy, bột kim loại,… Hầu hết là tự động, ít có sự can thiệp của con người

- Làm sạch và kết thúc: đây là bước cuối cùng của quy trình, bước này liên quan đến việc loại bỏ các phần từ phụ trợ (có đề cập ở bước số 3) Nguyên mẫu có thể yêu cầu phải làm sạch và xử lý bề mặt bằng phương pháp: đánh nhám, Sơn phủ để cải thiện độ thẩm mỹ của mẫu sau khi in 3D