Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật: Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị đo biên dạng theo nguyên tắc số hóa kiểu robot

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:101

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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. Để hiểu rõ hơn, mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung luận văn này.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật: Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị đo biên dạng theo nguyên tắc số hóa kiểu robot

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG 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 NGƢỜI HD KHOA HỌC: PGS.TS.PHẠM THÀNH LONG Thái Nguyên, tháng 12-2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LỜI CAM ĐOAN ------------------------------ Họ và tên: Lý Thanh Minh Học viên: Lớp cao học K15 CTM, Trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên. LÝ THANH MINH 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". THIẾT Chuyên ngành: KẾ, Công nghệCHẾ TẠO chế tạo máy.VÀ THỬ NGHIỆM THIẾT Mã số: BỊ ĐO BIÊN DẠNG THEO NGUYÊN TẮC 60520103. Sau hai năm học tập,SỐ rènHÓA luyện KIỂU và nghiên cứu tại trƣờng, em lựa chọn thực ROBOT hiện đề tài tốt nghiệp: “Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị số hóa biên dạng kiểu ROBOT”. Đƣợc sự giúp đỡ và hƣớng CHUYÊNdẫn tậnNGÀNH tình của Thầy giáo PGS.TS. Phạm Thành Long và sự nỗ lực CÔNG thân, đềCHẾ của bản NGHỆ tài đãTẠO đƣợcMÁY hoàn thành. Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân em. Các số liệu, kết quả có trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. LUẬN VĂNThái THẠCNguyên,SĨ KỸ ngày 04 tháng THUẬT12 năm 2015 HỌC VIÊN KHOA CHUYÊN MÔN NGƢỜI HD KHOA HỌC Lý Thanh Minh TRƢỞNG KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO Thái Nguyên, tháng 12-2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
iii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học và làm đề tài thạc sỹ, em đã nhận đƣợc sự truyền đạt về kiến thức, phƣơng pháp tƣ duy, phƣơng pháp luận của các giảng viên trong trƣờng. Sự quan tâm rất lớn của Nhà trƣờng, khoa Cơ khí, các thầy cô giáo trƣờng 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 hƣớng 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 cƣơng 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 xƣởng 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 đƣợc những chỉ dẫn từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện và có ý nghĩa hơn nữa trong thực tiễn. Xin chân thành cảm ơn! HỌC VIÊN Lý Thanh Minh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
iv 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. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận............................................................................... 4 a) Phƣơng pháp nghiên cứu............................................................................................. 4 b) Phƣơng pháp luận ....................................................................................................... 5 5. Nội dung của đề tài ....................................................................................................... 5 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT THEO KỸ THUẬT NGƢỢC ................... 6 1.1 Thiết kế ngƣợc và sản xuất theo kỹ thuật ngƣợc .......................................................... 6 1.2 Một số kỹ thuật và thiết bị đo lƣờng hiện đại trong thiết kế ngƣợc............................ 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 chƣơng 1 ....................................................................................................... 14 CHƢƠNG 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 ngƣợc 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
v 2.2.4 Xác định sơ đồ liên kết cơ điện tử ...................................................................... 29 2.3 Phƣơng pháp tính tọa độ điểm đo của máy theo phƣơng 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 phƣơng 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 2.5.3 Kết quả tính độ phân giải của thiết bị tại vị trí B2 ............................................... 43 2.5.4 Kết quả tính độ phân giải của thiết bị tại vị trí B3 ............................................... 46 2.5.5 Kết quả tính độ phân giải của thiết bị tại vị trí B4 ............................................... 49 2.5.6 Lựa chọn dung sai các chiều dài khâu và dung sai đƣờng kính đầu đo khi nhập vào phần mềm của máy đo. ............................................................................................... 53 2.5.7 Ảnh hƣởng 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 phƣơng 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 Hƣớng dẫn sử dụng ..................................................................................................... 78 CHƢƠNG 3: ĐO VÀ ĐÁNH GIÁ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM ...................................... 80 3.1 Nội dung đánh giá, thiết bị đánh giá. .......................................................................... 80 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
vi 3.1.1 Đánh giá “độ chính xác lặp lại phép đo” của máy. .............................................. 80 3.1.2 Đánh giá “sai số tƣơng đối theo đƣờng kính” so với phƣơng 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 phƣơng 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 tƣơng đối theo đƣờng kính” ................................................ 87 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN ................................................................................................. 88 4.1 Kết luận........................................................................................................................ 88 4.2 Kiến nghị ..................................................................................................................... 88 CÁC TÀI LIỆU ĐÍNH KÈM - Hƣớng 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". Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
vii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT TT KÍ HIỆU DIỄN GIẢI NỘI DUNG ĐẦY ĐỦ ĐƠN VỊ 1 PCMM Portable Coodianate Measure Machine 2 CMM Coodianate Measure Machine 3 PLC Programable Logic Control 4 NC Numerical Control 5 CNC Computer Numerical Control 6 RE Reverse Engineering 7 CAD Computer Aided Design 8 CAM Computer Aided Manufacturing 9 CIM Computer Integrated Manufacturing 10 FE Forward Engineering 11 DH Denavit Haternbeg 12 3D 3 Direction 13 x(t) Quỹ đạo đầu đo trong không gian công tác 14 q(t) Quỹ đạo đầu đo trong không gian khớp 15 qi Biến khớp thứ (i) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ Hình 1: Sơ đồ hóa mô hình thiết kế từ mẫu đến triển khai các bƣớc công nghệ ...... 1 Hình 2: Sơ đồ hóa mô hình các bƣớc thiết kế thử nghiệm chầy dập (vuốt) cho một chặng công nghệ cụ thể ............................................................................................. 2 Hình 1.1: Minh họa quy trình sản xuất ngƣợc .......................................................... 9 Hình 1.2: Rapidform - phần mềm hàng đầu trong thiết kế ngƣợc ............................ 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 bƣớc 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 lƣới khảo sát lựa chọn Encoder............................................. 24 2.7: Bƣớc 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 trƣờnghợp 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 trƣờng ..... 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
ix 2.21: Sơ đồ tính độ phân giải tại điểm B2...................................................... 43 2.22: Sơ đồ tính độ phân giải tại điểm B3...................................................... 46 2.23: Sơ đồ tính độ phân giải tại điểm B4...................................................... 49 2.24: Các dạng sai số chế tạo khâu robot ....................................................... 58 2.25: a. Sơ đồ chia lƣới 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 đƣợc 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 đƣợc qua phép đo tiếp xúc ......................... 65 2.30: Kết quả đo ban đầu chƣa 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 (đƣờng 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 hƣớng 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 3.4: Sơ đồ đo chi tiết dạng 2........................................................................... 85 3.5: Sơ đồ đo chi tiết dạng 3........................................................................... 86 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 2.1: Kết quả tính toán cảm biến bằng phƣơng 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 đƣợc dƣới 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 3.2: Bảng kết quả đo chi tiết dạng 2 .............................................................. 85 3.3: Bảng kết quả đo chi tiết dạng 3 .............................................................. 86 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Thiết kế ngƣợc đƣợc 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 phƣơng 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 ngƣợc để tái tạo hình dạng chi tiết: Theo phƣơng 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 đƣợc biên dạng tối ƣu cũng nhƣ chất lƣợng sản phẩm của mỗi bƣớc công nghệ phải qua nhiều lần thử nghiệm, biên dạng dụng cụ cuối cùng là kết quả đƣợc 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 dƣỡng kiểm dụng cụ, thiết kế dƣỡng đối kiểm dƣỡng kiểm, tiến hành chế tạo.... Hình 1: Sơ đồ hóa mô hình thiết kế từ mẫu đến triển khai các bước công nghệ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
2 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 đƣợc kế thừa, phát triển tiếp ở bƣớc gia công khi thực hiện trên các máy CNC, việc thể hiện dữ liệu dƣới 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 đƣợc nhiều công sức so với làm công nghệ bằng tay truyền thống. Trên thế giới phƣơng pháp thiết kế ngƣợc thông qua số hóa bề mặt mẫu bằng thiết bị đo tọa độ CMM đƣợc áp dụng phổ biến. Ƣu điểm của phƣơng 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 đƣợc quy luật tạo hình). Phƣơng pháp thiết kế ngƣợc cũng có ƣu điểm đối với thiết kế các chi tiết mà bề mặt có quy luật tạo hình nhƣng không xác định đƣợc thông số thiết kế, chẳng hạn các chi tiết có bề mặt xoắn nhƣ cánh tuabin, bề mặt thủy động học, khí động học... Trong thời gian gần đây trong nƣớc đã có các loại thiết bị tự động đo quét tọa độ 3D, kỹ thuật thiết kế ngƣợc cũng đã đƣợc nghiên cứu áp dụng tại một số nơi nhƣ: doanh nghiệp, viện nghiên cứu, trƣờng học…, tuy nhiên việc ứng dụng có Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
3 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 tƣ . Đối với Công ty TNHH MTV Cơ khí hoá chất 13 hiện tại chƣa đủ điều kiện đầu tƣ 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 đƣợc 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 phƣơng pháp thiết kế truyền thống nhƣ 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 đƣợc đề đặt ra là chế tạo một thiết bị có cấu hình đơn giản, có khả năng tự chế tạo đáp ứng đƣợc công việc "thiết kế ngƣợc" từ các sản phẩm sẵn có hoặc thay thế việc chế tạo các dụng cụ kiểm, dƣỡng kiểm trong quá trình chế thử để xác định mẫu mực sản phẩm, thay vì các phƣơng pháp truyền thống trƣớc 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 đƣợc 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 đƣợc tại Công ty TNHH MTV Cơ khí hóa chất 13. Với ý đồ đó đề tài đƣợc 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 nhƣ: đặc tính kích thƣớc, 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 nhƣ các thiết bị điện, điện tử có sẵn trên thị trƣờng 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 ngƣời sử dụng, linh hoạt trong thay đổi các thông số của phần cứng (ví dụ: số xung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
4 của Encoder, chiều dài cánh tay robot, đƣờng kính que đo...) mà không cần cải tiến nâng cấp phần mềm. - Xử lý số liệu thô nhận đƣợc 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 đƣợc nhiều nƣớc có nền công nghiệp đang phát triển rất quan tâm, nhất là ở các lĩnh vực thiết kế không sở trƣờng nhƣng có nhu cầu thƣờng 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 ngƣời 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 đƣợc nhiều thời gian, tiết kiệm đƣợc 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 thƣớc mà không cần quan tâm nghiên cứu các ràng buộc tạo hình theo quy trình thiết kế thông thƣờng 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 ngƣợc về độ chính xác để xác định đặc tính của các cảm biến thay thế cho phƣơng pháp sử dụng phép dịch chuyển vi phân truyền thống. Qua đó khảo sát ảnh hƣởng 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 phƣơng pháp làm mịn hóa một đƣờng cong trơn (smoothness) nhận đƣợc từ số liệu đo thô. b) Ý nghĩa thực tiễn Giải quyết đƣợc bài toán đặt ra nêu trong Mục 1 lý do chọn đề tài. Cho phép thay thế cho phƣơng pháp thiết kế truyền thống nhƣ 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. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận a) Phƣơng pháp nghiên cứu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
5 Áp dụng phƣơng 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 trƣớc các đặc trƣng kết cấu, vị trí và hƣớng của một khâu bất kỳ so với một chuẩn quy chiếu biết trƣớc 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. b) Phƣơng pháp luận Phƣơng pháp luận là hệ thống các phƣơng pháp đƣợc ứng dụng để giải quyết vấn đề đặt ra. Luận văn sử dụng các phƣơng pháp luận về: - Thiết kế hệ thống đo lƣờng cơ điện tử gián tiếp nhiều thành phần bằng phƣơng pháp số; - Kỹ thuật robot trong việc nghiên cứu động học của tay đo; - Liên kết động học trên cơ sở điều khiển thời gian; - Các phƣơng pháp nội suy và xấp xỉ (cho khâu xử lý dữ liệu đo). Lý do lựa chọn các phƣơng pháp trên đó là thiết bị không tiêu chuẩn, đối tƣợng sử dụng thiết bị xuất phát từ thực tiễn nhu cầu công việc, do vậy từ thiết lập trƣờng 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 nhƣ phƣơng pháp tƣ duy đã đƣợc trang bị tại trƣờng 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 chƣơng sau: Chƣơng 1: Tổng quan về sản xuất theo kỹ thuật ngƣợc Chƣơng 2: Thiết kế máy Chƣơng 3: Đo và đánh giá số liệu thực nghiệm Kết luận và kiến nghị. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT THEO KỸ THUẬT NGƢỢC 1.1 Thiết kế ngƣợc và sản xuất theo kỹ thuật ngƣợc Thiết kế ngƣợc là quy trình xây dựng lại bản thiết kế (bản vẽ hoặc file số liệu) của mẫu vật có trƣớc. Ƣu điểm của phƣơng pháp thiết kế ngƣợc 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 đƣợc quy luật tạo hình). Phƣơng pháp thiết kế ngƣợc cũng có ƣu điểm đối với mẫu thiết kế dạng bề mặt có quy luật tạo hình nhƣng không xác định đƣợc thông số thiết kế. Chẳng hạn các mẫu bề mặt xoắn nhƣ cánh tuabin, bề mặt thủy động học, khí động học. Trong thời gian gần đây trong nƣớc đã có các loại thiết bị tự động đo quét tọa độ 3D, kỹ thuật thiết kế ngƣợc cũng đã đƣợc nghiên cứu áp dụng tại một số nơi nhƣ: Doanh nghiệp, viện nghiên cứu, trƣờng 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 ngƣợc - Reverse Engineering (RE) là thuật ngữ đƣợc sử dụng phổ biến trong thời gian gần đây. Tuy nhiên việc sử dụng RE trong phát triển sản phẩm đã đƣợc bắt đầu từ vài thập kỷ trƣớc. RE đƣợc 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 ngƣợc là quá trình sao chép một sản phẩm đã đƣợc sản xuất (nhờ khả năng sao chép hình ảnh của một vật thể thành dữ liệu CAD 3D), thiết kế ngƣợc liên quan đến việc quét hình (scanning), số hóa (digitizing) vật thể thành dạng điểm, đƣờng và bề mặt 3D. Các nhà thiết kế và chế tạo thƣờng đánh giá sản phẩm của mình và đối thủ cạnh tranh trƣớc khi đƣa ra một ý tƣởng mới. Ngày nay quá trình đó đƣợc hệ thống hóa thành một kỹ thuật riêng gọi là kỹ thuật thiết kế ngƣợc. 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. Nhƣ vậy có thể thấy kỹ thuật thiết kế ngƣợc 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 dƣới dạng nguyên gốc hay biến thể. Quá trình này trái ngƣợc với quá trình truyền thống bấy lâu nay kiểu “thiết kế thuận” (Forward Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
7 Engineering) đi từ ý tƣởng đến sản phẩm (thiết kế ngƣợc thì đi từ việc phân tích một bộ phận trong quá trình thuận, ngƣợc này đƣợc tổng hợp theo trình tự nhƣ sau: - Thiết kế thuận: nhu cầu ý tƣởng thiết kế tạo mẫu thử và kiểm tra sản phẩm. - Thiết kế ngƣợc: sản phẩm đo và kiểm tra tái thiết kế tạo mẫu thử và kiểm tra sản phẩm. Kỹ thuật thiết kế ngƣợc theo hƣớng tự động hóa thƣờng đƣợc 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 đƣợc lựa chọn tùy theo hình dạng của chi tiết, yêu cầu độ chính xác, vật liệu chi tiết, kích thƣớc 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 tƣợng ở dạng tọa độ của các điểm (x,y, z), sau đó sẽ tập hợp các điểm trên bề mặt đối tƣợng đƣợc mô tả nhƣ “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 thƣờng 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 thƣờng đƣợc sử dụng để đo lƣờng về kích thƣớc, đo kiểm mẫu, lƣợc đồ góc, hƣớng hoặc chiều sâu, đo chép mẫu hoặc tạo hình. Các thông số cơ bản đƣợc quan tâm của máy là các hành trình đo theo trục x, y, z; độ phân giải và trọng lƣợng 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 ngƣợc, phần mềm SPC và bù nhiệt độ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
8 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 thƣờng là loại máy nhỏ cầm tay, cho phép đầu dò xoay đặt theo nhiều hƣớng khác nhau. - Máy kiểu cầu là loại có trục đo đƣợc 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 đƣợc 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 đƣợc đo. Các máy đo kiểu giàn có cấu trúc tƣơng tự nhƣ thiết kế kiểu cầu. - Đối với máy đo kiểu trục ngang, trục lắp đầu dò đƣợc đặt ngang chìa ra, một đầu gắn trên giá đỡ thẳng đứng có thể dịch chuyển đƣợc. Về hệ thống đầu do cho máy CMM, ngƣời 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 đƣợc 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 lƣới (có khả năng tự động phủ lƣới qua tất cả các điểm dữ liệu) và phần mềm mô hình hóa 3D (có khả năng mô hình hóa các đƣờng cong, mặt cong NURBS, xây dựng mô hình thiết kế CAD từ mô hình lƣới điểm thông qua sự tƣơng tác của ngƣời sử dụng với giao diện của phần mềm). Sau cùng là giai đoạn ứng dụng, mô hình thiết kế có thể đƣợc tinh chỉnh, tối ƣu bằng các phƣơng pháp phân tích CAE, hay chuyển sang công đoạn thiết kế khuôn cho sản phẩm và cuối cùng là xuất dữ liệu thiết kế dƣới 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 ngƣợc còn đƣợc sử dụng để kiểm tra, đánh giá độ chính xác giữa sản phẩm gia công so với nguyên mẫu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
9 Hình 1.3:Minh họa quy trình sản xuất ngược Ngoài việc phục vụ thiết kế chế tạo, quy trình thiết kế ngƣợc còn đƣợc 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 ngƣợc 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 ƣu điểm của phƣơng pháp thiết kế ngƣợc 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
10 xác định đƣợc quy luật tạo hình. Vì vậy, nó đƣợc 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 nhƣ 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 lƣờng hiện đại trong thiết kế ngƣợc Với mục đích tạo ra tọa độ điểm trên bề mặt vật thể có sẵn, có nhiều phƣơng pháp khác nhau nhƣng 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 ngƣời 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 nhƣ 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 tƣơng đƣơng với đo tiếp xúc. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn