intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phương pháp tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong nhằm cải thiện chất lượng làm việc của kéo

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:25

Thêm vào BST
Báo xấu
48
lượt xem 3
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của đề tài là nhằm cải thiện tính cắt sắc, hướng tới cải thiện chất lượng làm việc của kéo, mục đích nghiên cứu của đề tài luận án là để đưa ra được: Phương pháp mô hình hóa lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong, hệ phương trình tính toán cùng với giải thuật cho phép tính toán, thiết kế các thông số hình học (TSHH) của lưỡi kéo; Phương pháp gia công tạo hình lưỡi kéo để đạt được các thông số thiết kế, với việc sử dụng công nghệ tiên tiến như: robot, máy CNC;

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phương pháp tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong nhằm cải thiện chất lượng làm việc của kéo

  1. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Kéo mổ y tế đầu cong (gọi tắt là kéo) là dụng cụ phẫu thuật dùng để cắt các mô như: Cân, cơ, màng phổi, màng tim, mạch máu… hoặc một số bộ phận của cơ thể. Kéo có cấu tạo phức tạp, lưỡi cắt cong 3 chiều, lưỡi cắt phải sắc và là đường cong trơn liên tục. Do điều kiện làm việc đặc biệt, yêu cầu chất lượng cao, hình dạng lưỡi cắt của kéo phức tạp, việc tính toán, thiết kế, gia công tạo hình lưỡi kéo khó khăn; Cơ sở tính toán, thiết kế và công nghệ chế tạo kéo ít được công bố. Do vậy với điều kiện trong nước càng khó tìm kiếm tài liệu tham khảo cũng như tiếp cận tài nguyên dữ liệu phục vụ việc nghiên cứu. Kéo mổ y tế đầu cong được sản xuất và bán rộng rãi trên thế giới, nhưng kéo mổ y tế đầu cong sử dụng trong nước hầu hết phải nhập ngoại, giá đắt. Kéo chế tạo ở trong nước có chất lượng thấp chủ yếu tập trung ở chất lượng lưỡi cắt (do được mài bằng tay). Vì vậy: “Nghiên cứu phương pháp tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong nhằm cải thiện chất lượng làm việc của kéo” để làm chủ tính toán, thiết kế, chế tạo kéo là một nhiệm vụ cần thiết có tầm quan trọng và ý nghĩa khoa học, kinh tế, xã hội rất lớn. 2. Mục đích của đề tài Nhằm cải thiện tính cắt sắc, hướng tới cải thiện chất lượng làm việc của kéo, mục đích nghiên cứu của đề tài luận án là để đưa ra được: - Phương pháp mô hình hóa lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong, hệ phương trình tính toán cùng với giải thuật cho phép tính toán, thiết kế các thông số hình học (TSHH) của lưỡi kéo; - Phương pháp gia công tạo hình lưỡi kéo để đạt được các thông số thiết kế, với việc sử dụng công nghệ tiên tiến như: robot, máy CNC; - Phương pháp thực nghiệm đo TSHH, mài tạo hình và đo lực cắt của lưỡi kéo. Từ đó, lựa chọn được thông số thiết kế cho kéo mẫu thí nghiệm, mài được lưỡi kéo, so sánh được lực cắt của kéo mẫu thí nghiệm với một số kéo ngoại nhập từ đó đánh giá sự cải thiện tính cắt của kéo mẫu; - Phương pháp điều chỉnh các TSHH của lưỡi kéo trong quá trình gia công tạo hình, nhằm cải thiện tính cắt sắc, hướng tới cải thiện chất lượng làm việc của kéo. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu a. Đối tượng : Lưỡi cắt của kéo mổ y tế đầu cong. b. Phạm vi nghiên cứu: - Lý thuyết tạo hình bề mặt cong phức tạp để tạo hình lưỡi cắt của kéo mổ y tế đầu cong. - Phương pháp gia công tạo hình lưỡi cắt của kéo bằng công nghệ cao như robot, máy CNC. - Biện pháp thay đổi TSHH của lưỡi cắt nhằm cải thiện tính cắt sắc hướng đến cải thiện chất lượng làm việc của kéo. - Phương pháp thực nghiệm mài lưỡi cắt, xác định thông số hình học, đo lực cắt của kéo. c. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp giữa lý thuyết, mô hình hóa, mô phỏng và thực nghiệm trong điều kiện cho phép tại Việt Nam. 5. Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án + Những đóng góp mới của luận án: Luận án đã đưa ra được:
  2. 2 1) Phương pháp toán học mô hình hóa lưỡi cắt của kéo mổ y tế đầu cong bao gồm các phương trình xác định đường cong lưỡi cắt, các phương trình biểu diễn góc trước, góc sau, mặt trước và mặt sau của lưỡi cắt. 2) Phương pháp gia công tạo hình lưỡi cắt trên thiết bị công nghệ cao như các robot, các máy CNC. 3) Phương pháp điều chỉnh các thông số hình học của lưỡi cắt, đặc biệt là góc trước của lưỡi cắt của kéo trong quá trình mài tạo hình nhằm tối ưu tính cắt sắc của kéo. 4) Giải thuật và chương trình máy tính cho phép tính toán xác định thông số hình học của lưỡi cắt của kéo; mô phỏng quá trình mài tự động mặt trước, mặt sau lưỡi kéo trên các thiết bị công nghệ tiên tiến như robot và máy CNC; cho phép điều khiển linh hoạt để mài tạo hình lưỡi kéo với thông số hình học mong muốn. 5) Các phương pháp thực nghiệm: Quy trình mài lưỡi cắt kéo mẫu thí nghiệm trên robot 6 trục; Phương pháp xác định thông số hình học của lưỡi cắt của kéo thực bằng kỹ thuật ngược; Phương pháp đo lực cắt theo 3 phương x, y, z bằng đồ gá chuyên dùng, tích hợp các cảm biến đo lực. + Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Luận án đã xây dựng được phương trình lưỡi cắt, trên cơ sở đó đã dùng công nghệ tiên tiến và các thiết bị hiện đại hiện có tại Việt Nam để mài và kiểm tra quá trình tạo hình lưỡi cắt của kéo. Kết quả thực nghiệm phù hợp với các kết quả nghiên cứu lý thuyết và số liệu đo lường gắn với kéo mẫu của nước ngoài. Vì vậy luận án mang ý nghĩa khoa học và là tài liệu tham khảo tốt cho các nhà công nghệ nên nó cũng mang ý nghĩa thực tiễn. 6. Bố cục và nội dung của luận án Phần mở đầu Phần nội dung: Chương 1. Tổng quan về phương pháp tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong. Chương 2. Mô hình hóa lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong. Chương 3. Nghiên cứu phương pháp mài tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong. Chương 4. Thực nghiệm tạo hình lưỡi cắt, đo lực cắt kéo mổ y tế đầu cong. Phần kết luận và kiến nghị Chương 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH LƯỠI CẮT KÉO MỔ Y TẾ ĐẦU CONG 1.1 Giới thiệu kéo mổ y tế đầu cong Đầu 1.1.1 Khái niệm, công dụng của kéo mổ y tế đầu Kéo cong - Kéo là một loại dụng cụ dùng để cắt, gồm hai Mang Kéo phần trái và phải, ta gọi là vế trái và vế phải, được làm bằng thép các bon hoặc thép hợp kim. Chân - Kéo mổ y tế đầu cong thường được sử dụng để Kéo cắt các mô của cơ thể ngoài ra kéo còn được dùng để cắt chỉ, vải, gạc, băng, sợi kim loại ... chuẩn bị, phục Hình 1. 2 Cấu tạo kéo mổ y tế đầu cong vụ cho phẫu thuật. 1.1.2 Cấu tạo kéo mổ y tế đầu cong Các loại kéo mổ đầu cong dùng trong y tế đều có hình dáng kết cấu phức tạp [4, 8] và chia thành 3 phần: Đầu mang và chân kéo (hình 1.2).
  3. 3 Hình 1.4, 1.6 cho biết cấu tạo đầu kéo. Các ký hiệu RCL, RCR, RXL, RXR trên các hình 1.4 lần lượt tương ứng là bán kính cong của đường cong lưỡi cắt trái, phải, trong các mặt phẳng Oxy, Oyz và Rs là bán kính cong của đường cong Bc trong tiết diện pháp tuyến A- A. Hình 1. 4 Cấu tạo phần đầu kéo [4,8] Hình 1. 6 Mặt cắt ngang của lưỡi cắt 1.1.3 Yêu cầu kỹ thuật của kéo mổ y tế đầu cong Kéo phải sắc, khi cắt nhẹ nhàng, không nhay trượt. (theo Tiêu chuẩn quốc tế & TCVN). Từ hình dạng hình học của kéo cùng với yêu cầu kỹ thuật khi chế tạo cho thấy cần phải nghiên cứu tính toán, thiết kế và phương pháp tạo hình lưỡi cắt của kéo như một dụng cụ cắt phức tạp với yêu cầu kỹ thuật cao. 1.2 Tổng quan về phương pháp tạo hình các bề mặt chi tiết 1.2.1 Đặc trưng hình học của bề mặt chi tiết 1.2.1.1 Biểu diễn đường cong và mặt cong trong không gian . Đường cong trong không gian và các đặc trưng hình học Trong hệ tọa độ ba trục vuông góc của không gian R3, phương trình đường cong L có thể cho dưới dạng tham số:  x  x t   (1.1)  y  y t    z  z t  Từ đó ta lập được phương trình tiếp tuyến, phương trình pháp diện của đường cong tại điểm M0 và ta có thể xác định được độ cong của nó. . Mặt cong trong không gian và các đặc trưng hình học Trong hệ tọa độ ba trục vuông góc của không gian R3, phương trình bề mặt S có thể biểu diễn trong dạng: z  f  x, y  (1.9) Hoặc f  x, y , z   0 (1.10) Xét tại điểm M0 của S, giả thiết cả ba đạo hàm f x  x, y , z  , f y  x, y , z  , f z  x, y , z  của (1.10) đều tồn tại, liên tục và không đồng thời triệt tiêu. Gọi L là một đường cong thuộc S đi qua M0 có phương trình tham số dạng (1.1). Trường hợp điểm M0 và đường cong L đồng thời nằm trên hai mặt cong, tức L là giao tuyến của hai mặt cong, thì hệ phương trình xác định L là:  f  x, y , z   0  (1.11)   g  x, y , z   0  Từ đó ta cũng lập được phương trình tiếp tuyến, phương trình pháp diện của mặt cong. Ký hiệu các tham số là u, v, các tọa độ Descartes x, y, z trong (1.9), (1.10) là hàm của u, v. Các phương trình của mặt cong S có thể viết trong dạng tham số:
  4. 4  x  x  u, v   (1.16) r  r  u, v    y  y  u, v    y  y  u, v  Người ta có thể biểu diễn lưới của mặt cong S ứng với các giá trị tham số u, v trong công thức (1.16). Với r là bán kính vector, gốc tại O của hệ tọa độ Oxyz, tới một điểm M của mặt cong S. Các tham số u, v còn gọi là các tọa độ cong. Các đường cong trên bề mặt ứng với u, v không đổi được gọi là các đường cong tọa độ. 1.2.1.2 Đường cong và mặt cong của chi tiết Trong hình học vi phân các đường cong là trơn, liên tục, không có kích thước ngang, có thể truy cập từ nhiều phía; còn mặt cong cũng là trơn, liên tục không có chiều dày, truy cập từ hai phía của bề mặt. Các đường cong trên bề mặt các chi tiết thường biểu diễn biên dạng, hoặc giới hạn bề mặt chi tiết, hoặc biểu diễn vị trí và hướng làm việc của chi tiết. Khảo sát đặc trưng hình học bề mặt dựa trên hình học vi phân và sự hình thành của chúng sẽ là cơ sở để tìm ra phương pháp tạo hình bề mặt chi tiết. Hình 1. 9 Các dạng bề mặt [38] Từ lưới bề mặt trên hình 1.9, một đường cong tọa độ, chẳng hạn ứng với (u), được gọi là đường sinh, đường cong thứ hai (v) sẽ gọi là đường hướng. Từ lý thuyết tạo hình bề mặt [38], có những dạng bề mặt có thể được tạo thành khi trượt đường sinh u theo đường hướng v. Điều này có thể làm được nếu bề mặt có đường sinh có dạng không đổi. Hoặc nếu bề mặt cong có đường hướng v không đổi, có thể tạo thành bề mặt khi trượt đường hướng v theo đường sinh u. Có thể gọi đường cong đó đường sinh hay là đường hướng và ngược lại. Theo khả năng tạo hình, người ta phân loại bề mặt thành : Bề mặt tự trượt (hình 1.9.a – c); bề mặt “tự trượt” theo đường hướng v (hình 1.9.d– f); bề mặt có đường sinh (u) hoặc đường hướng (v) không đổi(hình 1.9.g); bề mặt có đường u, v thay đổi liên tục (hình 1.9.k). Công nghệ tạo hình các bề mặt tự trượt được thực hiện bằng việc phối hợp các chuyển động của chi tiết và dụng cụ bao gồm các chuyển động quay quanh và tịnh tiến. Thực tế kỹ thuật cho thấy có nhiều loại bề mặt chi tiết không thể cho trực tiếp ở dạng phương trình toán học như trên. Trên cơ sở phương pháp tạo hình, và từ tính toán thiết kế hoặc thực nghiệm có thể xác định một lưới điểm của bề mặt cần tạo hình, tức xác định được giá trị tọa độ các điểm thuộc bề mặt nằm trên một lưới. Từ đó có nhiều phương pháp nội suy bề mặt để xây dựng được dạng giải tích gần đúng của bề mặt cần gia công.
  5. 5 1.2.2 Nguyên lý tạo hình bề mặt bằng dụng cụ cắt 1.2.2.1 Động học tạo hình bề mặt Trong quá trình gia công tạo hình, dụng cụ cắt và chi tiết chuyển động tương đối với nhau, kết quả cắt gọt tạo thành bề mặt gia công. Khi thực hiện chuyển động tạo hình, phần lưỡi cắt của dụng cụ tiếp xúc bề mặt gia công và tạo hình bề mặt, được gọi là biên dạng của lưỡi cắt (prophin). Để tạo hình bề mặt chi tiết, phần prophin lưỡi cắt của dụng cụ cần phân bố trên bề mặt nào đó mà trong quá trình gia công tạo hình, prophin lưỡi cắt tiếp xúc với bề mặt chi tiết. Bề mặt đó được gọi là bề mặt khởi thủy của dụng cụ. Bề mặt khởi thủy của dụng cụ có thể tiếp xúc với chi tiết theo 3 khả năng [39]. (1) Bề mặt khởi thủy của dụng cụ trùng với bề mặt chi tiết; (2) Bề mặt khởi thủy của dụng cụ tiếp xúc với bề mặt chi tiết theo đường sinh (hoặc đường hướng); (3)Bề mặt khởi thủy của dụng cụ tiếp xúc với bề mặt chi tiết theo điểm: để tạo hình, dụng cụ vừa thực hiện chuyển động ăn dao, vừa thực hiện hai chuyển động tạo hình theo đường hướng hoặc đường sinh, hình 1.10.c. Khi đó, dụng cụ phải thực hiện chuyển động tạo hình phức tạp gồm các chuyển động quay (3) và tịnh tiến (3), xem hình 1.11. Đây là cơ sở để những phần tiếp sau của luận án phân tích bề mặt lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong và nghiên cứu phương pháp tạo hình lưỡi cắt của kéo. Hình 1. 11 Các chuyển động tạo 1.2.2.2 Các phương pháp tạo hình bề mặt hình bề mặt chi tiết phức tạp [39] *. Nguyên lý chép hình *. Nguyên lý bao hình *. Nguyên lý bao hình các bề mặt tự do Với các bề mặt tự do thường là bề mặt phức tạp, tiếp xúc của bề mặt khởi thủy của dụng cụ với bề mặt chi tiết thường là theo điểm. Chuyển động tạo hình được tích hợp từ các chuyển động thành phần tịnh tiến và quay quanh một trục. Khi tạo hình các bề mặt phức tạp, cần thực hiện bằng các máy, thiết bị nhiều bậc tự do để phối hợp nhiều chuyển động thành phần. 1.2.2.3 Phương pháp xác định bề mặt khởi thủy bề mặt dụng cụ Theo [1,2,5] chỉ rõ: mỗi loại bề mặt chi tiết và sơ đồ động học tạo hình cần có dụng cụ với biên dạng lưỡi cắt, bề mặt khởi thủy, tương ứng để thực hiện quá trình tạo hình. Từ phương pháp biểu diễn bề mặt và xác định đặc trưng hình học của bề mặt đã trình bày, có thể áp dụng để xác định bề mặt khởi thủy của dụng cụ bằng 3 phương pháp sau: a. Phương pháp xác định bề mặt khởi thủy bằng đồ thị b. Phương pháp xác định bề mặt khởi thủy bằng giải tích c. Phương pháp động học xác định bề mặt khởi thủy: 1.2.3. Khái quát về cấu tạo dụng cụ cắt Kéo mổ y tế đầu cong là một dụng cụ cắt. Vì vậy, kéo có phần thân kéo, phần làm việc; có mặt trước, mặt sau, lưỡi cắt, góc trước, góc sau … tương tự dao tiện. - Lưỡi cắt là giao tuyến của mặt trước và mặt sau - Góc trước : là góc tạo thành giữa vết mặt trước và vết mặt đáy của dao đo trong tiết diện chính N – N.
  6. 6 - Góc sau chính : là góc tạo thành giữa vết của mặt sau và vết mặt phẳng cắt gọt đo trong tiết diện chính. - N-N - là tiết diện chính vuông góc với hình chiếu của lưỡi cắt chính trên mặt đáy. Các trình bày trên là cơ sở để áp dụng cho việc mô tả chi tiết các góc độ của kéo mổ y tế đầu cong cũng như xác định các TSHH của kéo để phục vụ cho nghiên cứu tạo hình lưỡi cắt của kéo. 1.3 Khái quát về tạo hình lưỡi cắt, và công nghệ chế tạo kéo mổ y tế đầu cong 1.3.1 Khái quát về tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong Việc chế tạo kéo cũng như tạo hình lưỡi cắt gồm nhiều công đoạn. Luận án chỉ tập trung nghiên cứu quá trình gia công tinh bằng mài tạo hình lưỡi cắt của kéo. Chuyển động tạo hình của đá khi mài lưỡi kéo cần đảm bảo bề mặt đá tiếp xúc bề mặt lưỡi kéo khi di chuyển dọc theo đường cong lưỡi kéo. Tùy thuộc loại đá mài được sử dụng, sẽ có các chuyển động của đá một cách phù hợp. Mài mặt trước bằng đá mài hình trụ, hình côn: (hình 1.18). Mài mặt trước bằng đá mài hình đĩa, hình cầu, hình xuyến: chuyển động tạo hình của đá cần đảm bảo đá vừa di chuyển dọc theo đường cong lưỡi cắt của kéo, đồng thời di chuyển dọc theo đường biên dạng Fc trong tiết diện pháp tuyến (hình 1.18, 1.19); Hình 1. 19. Tiếp xúc giữa bề mặt đá mài và mặt trước lưỡi cắt của kéo Hình 1. 18 Mài tạo hình mặt trước bằng các loại đá trong mặt phẳng pháp tuyến Mài mặt sau bằng đá mài hình cầu, hình xuyến: ... tiếp xúc giữa bề mặt đá mài và bề mặt sau lưỡi kéo theo điểm; chuyển động tạo hình của đá cần đảm bảo đá vừa di chuyển dọc theo đường cong lưỡi cắt của kéo, đồng thời di chuyển dọc theo đường biên dạng Bc trong tiết diện pháp tuyến (hình 1.20, 1.21); Hình 1. 20 Mài mặt sau bằng đá cầu, xuyến Hình 1.21 Tiếp xúc giữa bề mặt đá mài và mặt sau lưỡi cắt của kéo trong mặt phẳng pháp tuyến Vì các chuyển động tạo hình này là phức tạp nên với các máy mài thông thường sẽ không thực hiện được. Việc thực hiện bằng tay sẽ khó đảm bảo độ chính xác các TSHH của kéo, chất lượng không ổn định, năng suất thấp. 1.3.2 Công nghệ chế tạo kéo mổ y tế đầu cong Thế giới và Việt Nam đều có chế tạo kéo mổ y tế đầu cong, các công đoạn tóm tắt như sau: Dập tạo hình  Gia công thô  Nhiệt luyện  Mài tinh lưỡi cắt  Gia công tinh các bề mặt còn lại ... Khi mài tinh lưỡi cắt bằng tay, chất lượng lưỡi cắt không ổn định (xem hình 1.23).
  7. 7 Bề mặt lòng mo không đều, lưỡi cắt không trơn (tại B)  khi là việc làm việc kéo cắt không trơn, dễ bị nhay. Vì vậy, luận án sẽ nghiên cứu phương pháp sử dụng các B thiết bị công nghệ cao như robot, các máy CNC để thực hiện gia công mài tạo hình lưỡi cắt của kéo theo yêu cầu, hướng tới cải thiện chất lượng làm việc của kéo. Hình 1. 23 Lòng mo không đều, 1.4 Một số phương pháp đo lực cắt của kéo lưỡi cắt không đều [8] 1.4.1 Nghiên cứu của nhóm tác giả Mohsen Mahvash; Liming M. Voo, Diana Kim, Kristin Jeung (nhóm 1), Modeling the Forces of Cutting with Scissors , 2008, tài liệu [26] Các nhà khoa học trên đã sử dụng cảm biến ATI Nano-17 để đo lực cắt của kéo thẳng (hình 1.25), kết quả đo lực khi cắt xem hình 1.26 Hình 1.25 Robot đo lực với cảm biến Hình 1.26 Quan hệ giữa lực cắt và góc ATI Nano-17 [26] mở của kéo [26] Họ đã sử dụng lý thuyết bảo toàn năng lượng để đưa ra được công thức tính toán lực tác động của tay người fx khi cắt; Nghiên cứu đã khẳng định quá trình biến dạng (BD) khi cắt cũng gồm 3 gia đoạn: BD đàn hồi, BD dẻo và phá hủy. 1.4.2 Nghiên cứu của nhóm tác giả D J Callaghan1, G Rajan, M M McGrath , E Coyle, Y Semenova and G Farrell, (nhóm 2) Investigation and experimental measurement of scissor blade cutting forces using fiber Bragg grating sensors (FBG), (nguồn: [20] Hình 4. 29 Hình ảnh đo lực cắt với cảm biến FBG [20] Hình 1.31 Dữ liệu thực nghiệm khi cắt giấy [20] Nhóm 2 đã sử dụng cảm biến sợi quang (FBG) để đo lực cắt của kéo thẳng. Quá trình nghiên cứu đo lực cắt của kéo chia thành 2 giai đoạn (cắt tự do và cắt có vật liệu cắt). Kết quả đo được lực cắt theo cả 3 phương x, y, z. 1.4.3 Một số mô hình đo lực khác... Từ phân tích các mô hình đo lực cắt ở trên nhận thấy các mô hình này chưa đo được lực cắt của kéo mổ y tế đầu cong. Vì thế, đòi hỏi phải nghiên cứu để tìm ra một mô hình đo kéo mổ y tế đầu cong phù hợp tại Việt Nam. Kết luận chương 1 Chương một đã nghiên cứu tổng quan về kéo mổ y tế đầu cong, giới thiệu công dụng, cấu tạo, yêu cầu kỹ thuật của kéo mổ y tế đầu cong; Tổng quan về về lý thuyết tạo hình bề
  8. 8 mặt các chi tiết, khái quát về phương pháp chế tạo, đo lực cắt của kéo mổ y tế đầu cong, từ đó xác định phạm vi, nội dung nghiên cứu của đề tài luận án: - Phân tích và xác định đối tượng nghiên cứu, nhận dạng yêu cầu đối với tạo hình lưỡi cắt của kéo. - Dẫn ra cơ sở khoa học cho phép áp dụng mô hình hóa lưỡi cắt, phục vụ tính toán thiết kế, đó là phương pháp biểu diễn đường cong, mặt cong trong không gian và xác định các đặc trưng hình học. - Phân tích cơ sở khoa học và phương pháp tạo hình bề mặt làm cơ sở để tìm ra phương pháp tạo hình lưỡi cắt kéo mổ ý tế đầu cong. Đó là các phương pháp tạo hình bề mặt, phương pháp thiết lập chuyển động tạo hình, xác định bề mặt khởi thủy của dụng cụ cắt. - Phân tích phương pháp xác định yếu tố đặc trưng chất lượng làm việc của kéo là lực cắt, tạo cơ sở xây dựng phương pháp đo lực kiểm tra mẫu kéo thử nghiệm. CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HÓA LƯỠI CẮT KÉO MỔ Y TẾ ĐẦU CONG Bằng việc khảo sát hình dạng hình học lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong (gọi tắt là lưỡi kéo), tiến hành mô hình hóa toán học lưỡi cắt; thiết lập hệ phương trình toán học xác định đường cong lưỡi cắt; xác định biên dạng mặt trước, mặt sau của lưỡi cắt. Tiếp theo trình bày giải thuật tính toán và mô phỏng số được thực hiện bằng việc lập trình. Áp dụng kỹ thuật thiết kế ngược để khảo sát một số mẫu kéo phổ biến, làm cơ sở phân tích, lựa chọn TSHH cho kéo được thiết kế. 2.1 Phương trình đường cong lưỡi cắt của kéo mổ y tế đầu cong 2.1.1 Hệ tọa độ khảo sát Trên hình 2.1 dẫn ra hệ tọa độ khảo sát Oxyz - Trục x, y nằm trong mặt phẳng cơ sở của kéo, việc xác định phương chiều trục x, y sẽ được xác định bằng PP tam diện thuận. - Trục z nằm dọc theo trục chốt kéo, hướng chiều Hình 2. 1 Hệ trục tọa độ tính toán dương sao cho mũi kéo nằm trên phần dương của trục z. của kéo Hệ tọa độ Oxyz được gọi là hệ tọa độ cơ sở của kéo, được sử dụng để tính toán TSHH của kéo và thiết kế kéo; tính toán, thiết kế quỹ đạo chuyển động cho thiết bị gia công khi dẫn dụng cụ thực hiện chuyển động mài tạo hình lưỡi cắt. 2.1.2 Hình dạng đường cong lưỡi cắt của kéo trên các mặt phẳng tọa độ Hình 2.2 biểu diễn các hình chiếu Lxy, LyZ của đường cong lưỡi cắt của vế phải kéo trên các mặt phẳng tọa độ Oxy và Oyz tương ứng. Hình 2. 2 Hình chiếu đường cong lưỡi cắt của kéo trên các mặt phẳng tọa độ Từ phân tích hình dạng các bề mặt tạo nên đường cong lưỡi cắt đã xác định: Lưỡi cắt là giao của mặt trụ với mặt xuyến (hình 2.3 và hình 2.5). Vì vậy ta chọn cách biểu diễn
  9. 9 mặt xuyến trong hệ tọa độ Oxyz như sau. Đối với cả hai vế của kéo, trục tâm của mặt xuyến song song với trục x, tức là mặt phẳng chứa vòng tâm xuyến trùng với mặt phẳng Oyz. Vị trí giao điểm của trục tâm mặt xuyến với mặt phẳng Oyz, ký hiệu Ox, được xác định tùy theo kéo được thiết kế. Lưỡi kéo được tạo thành bởi đường cong lưỡi cắt của kéo, mặt sau của lưỡi cắt sẽ là mặt trong của vòng xuyến có dạng lòng mo (gọi là lòng mo), hình 2.4. Hình 2. 3 Mặt trụ và mặt xuyến chứa đường cong lưỡi Hình 2. 4 Mặt sau - lòng mo của lưỡi cắt cắt của kéo của kéo 2.1.3 Thiết lập phương trình đường cong lưỡi cắt của kéo mổ y tế đầu cong - Gọi bán kính của mặt trụ là rc, tổng quát bán kính mặt trụ không phải là hằng số, song ở đây ta giới hạn xét bán kính mặt trụ là hằng số, điều này cũng phù hợp với các kéo sẵn có hiện nay được khảo sát, đo đạc. - Tọa độ của trục tâm mặt trụ theo phương x, y của hệ tọa độ cơ sở ta ký hiệu là xc, yc. - re: là bán kính vòng tâm mặt xuyến, rs là bán kính vòng tròn tiết diện trong mặt phẳng hướng tâm của vòng xuyến, hình 2.6, 2.7. Hình 2.6, 2.7 Mặt trụ và mặt xuyến tạo lưỡi cắt của kéo - Tọa độ của tâm mặt xuyến trong hệ tọa độ cơ sở ký hiệu là x e, ye, ze. Ta chọn tâm mặt xuyến nằm trong mặt phẳng Oyz nên xe sẽ bằng không. Với: re là bán kính vòng tâm mặt xuyến, rs là bán kính vòng tròn tiết diện pháp tuyến của mặt xuyến (Tâm vòng tròn mặt xuyến), Gọi góc  là góc giữa đường thẳng nối tâm mặt xuyến với tâm vòng xuyến và mặt phẳng cơ sở của kéo; còn  là góc giữa đường thẳng nối tâm mặt xuyến với tâm vòng xuyến và đường thẳng nối tâm vòng xuyến với điểm trên đường cong lưỡi cắt của kéo. 0    2 , 0    2 (2.3) Hệ phương trình xác định đường cong lưỡi cắt của kéo (2.4) :  x  xe  rs sin   y  y  ( r  r cos  ) cos   e e s (2.4)  z  z  ( r  r cos  ) sin   e e s  x  x  2   y  y  2  r 2  c c c xc , yc là tọa độ tâm O2 của mặt trụ trong hệ tọa độ OdXdYdZd.; rc là bán kính trụ. Tổng quát, bán kính mặt trụ, bán kính vòng tâm xuyến, bán kính vòng tròn tiết diện xuyến có thể thay đổi dọc theo các điểm trên đường cong lưỡi cắt của kéo, và do vậy
  10. 10 tọa độ tâm trụ và xuyến sẽ có giá trị tương ứng. Trước hết ta giả thiết các tham số nói trên là hằng số với mỗi loại kéo để dẫn ra hệ phương trình toán học biểu diễn đường cong lưỡi cắt của kéo. 2.1.4 Phương pháp giải hệ phương trình và vẽ đường cong lưỡi cắt Để giải hệ phương trình (2.4) ta lấy hai phương trình đầu thế vào phương trình cuối ta được một phương trình của hai biến  , . Ta giải phương trình vừa thu được theo  . Ta nhận được nghiệm có dạng:    ( ) (2.5) Thế nghiệm trên vào ba phương trình đầu ta thu được phương trình đường cong lưỡi cắt ở dạng tham số (2.6):  x  x ( )  (2.6)  y  y ( )  z  z ( )  Kết hợp thông số góc trước và góc sau của lưỡi cắt ta sẽ xác định được đặc trung hình học của mặt cong của lưỡi cắt. Bằng phương pháp chia đường cong lưỡi cắt thành nhiều điểm và sử dụng phần mềm phù hợp ta có thể tính và vẽ đươc đường cong lưỡi cắt. 2.2 Đặc trưng hình học mặt trước và mặt sau của lưỡi cắt Hình dạng hình học của lưỡi cắt của kéo mổ y tế đầu cong được giới hạn bởi đường cong lưỡi cắt của kéo, mặt trước và mặt sau của lưỡi cắt. 2.2.1 Biểu diễn mặt trước của lưỡi cắt của kéo Mặt trước của lưỡi cắt của kéo được xác định bởi góc trước của lưỡi cắt. Thực tế vật cắt là mỏng, có thể coi ở thời điểm cắt, các điểm của hai vế kéo gặp nhau tại một điểm nằm trong mặt phẳng tọa độ Oyz. - Pr: mặt phẳng đáy. - PF: mặt phẳng tiếp xúc với mặt trước lưỡi cắt tại điểm khảo sát. - k: vector tiếp tuyến của đường cong lưỡi cắt. - d: hình chiếu của vector tiếp tuyến của đường cong lưỡi cắt trên mặt đáy Pr. - C: mặt phẳng chứa tiết diện chính đi qua điểm khảo sát và vuông góc với d. - Giao tuyến mặt phẳng C với mặt phẳng PF là đường thẳng DE, với mặt đáy là đường thẳng GH. - Góc trước là góc giữa các đường thẳng Hình 2. 9 Biểu diễn góc trước lưỡi cắt DE và GH hay góc giữa 2 véc tơ , η. Để tính toán, xác định góc trước  ta áp dụng phép tính vector. Ta giả sử có thể dựng được hệ tọa độ ba trục vuông góc Okkbknk tại mỗi điểm khảo sát trên đường cong lưỡi cắt như hình 2.9, trong đó: - Trục k tiếp tuyến với đường cong lưỡi cắt, chiều dương hướng về phía mũi kéo. - Trục nk pháp tuyến với mặt trước của lưỡi cắt, chiều dương hướng ra ngoài. - Trục bk tạo thành hệ tọa độ thuận, bk tiếp tuyến với mặt trước. Mặt phẳng Okbknk sẽ là pháp diện của lưỡi cắt tại điểm khảo sát.
  11. 11 Các bước tính toán được thực hiện như sau: - Các phương trình từ (2.8) đến (2.13) cho phép tính được các vector chỉ phương của các trục k, d, η , nk, bk - Vì  vuông góc với d ta nhận được hệ phương trình xác định  có dạng:   T k  0  T (2.13)     cos  2   2   2  1  1 2 3 - Khi thiết kế góc trước  được chọn và hệ (2.13) giải ra vector đơn vị chỉ phương . Hệ tọa độ Okkbknk đã nêu trên xác định đặc trưng hình học của bề mặt tại mỗi điểm trên đường cong lưỡi cắt, có vector tiếp tuyến d xác định theo (2.8), (2.9). Vector chỉ phương nk, pháp tuyến với mặt trước, được xác định như sau:  k    nk (2.14) Hay là:  nk 1   k 2  3   k 3 2  nk   nk 2     k 31   k 1 3  (2.15)       nk 3     k 1 2   k 2 1   Vector chỉ phương bk, tiếp tuyến với mặt trước, được xác định:  bk 1   nk 2 k 3  nk 3 k 2  bk  bk 2    nk 3 k 1  nk 1 k 3  (2.16)       bk 3    nk 1 k 2  nk 2 k 1   Việc biểu diễn mặt trước bởi các phương trình giải tích, nhưng khá phức tạp vì nhiều phép biến đổi nên thường kết hợp rời rạc hóa tính toán bằng số. Như thế, dù số điểm tính toán có thể rất lớn thì mặt trước được xác định vẫn là một mặt cong rời rạc điểm. Ta gọi mặt trước là mặt cong giải tích-số, hoặc đơn giản là mặt cong số. 2.2.2 Biểu diễn mặt sau của lưỡi cắt của kéo Mặt sau của lưỡi cắt của kéo là mặt trong của vòng xuyến và ta còn gọi là mặt có dạng lòng mo. Để biểu diễn được góc sau ta sẽ tìm hai đường thẳng. Đường thẳng thứ nhất đi qua điểm khảo sát trên đường cong lưỡi cắt và là giao tuyến giữa mặt phẳng cắt t và mặt phẳng đi qua điểm khảo sát và pháp tuyến với hình chiếu của đường cong lưỡi cắt trên mặt phẳng đáy Oyz. Đường thẳng thứ hai đi qua điểm khảo sát và là Hình 2. 11 Biểu diễn góc sau α của giao tuyến giữa mặt phẳng tiếp xúc với bề mặt vòng lưỡi cắt xuyến tại điểm khảo sát và mặt phẳng đi qua điểm khảo sát và pháp tuyến với hình chiếu của đường cong lưỡi cắt trên mặt phẳng đáy Oyz. Điểm khảo sát của đường cong lưỡi cắt được xác định như đã trình bày ở trên (hình 2.11), ta hãy tìm các vector chỉ phương của hai đường thẳng này. Từ các phương trình (2.22), (2.24) ta tính được vector chỉ phương bd. Cuối cùng ta tính được góc sau của lưỡi cắt của kéo mổ y tế đầu cong từ phương trình: cos  bd .nd (2.25)
  12. 12 2.2.3 Tính toán và lựa chọn TSHH thiết kế kéo mổ y tế đầu cong Các thông số cần thiết để giải hệ phương trình (2.4) và nhận được biên dạng đường cong của lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong là rc, xc, yc, re, rs, xe, ye, ze. Mặt sau của lưỡi cắt được xác định và biểu diễn bởi bán kính vòng tròn trong tiết diện ngang của vòng xuyến. Góc trước , góc sau  của lưỡi cắt xác định cho biểu diễn mặt trước và tìm mối liên hệ giữa các thông số ,  với các thông số chế tạo là góc trước n xác định trong mặt phẳng pháp tuyến với đường cong lưỡi cắt và bán kính lòng mo rs. Các thông số nói trên chính là các thông số thiết kế kéo. Bằng việc khảo sát các thông số này và lựa chọn hợp lý ta sẽ thiết kế và chế tạo được kéo với yêu cầu kỹ thuật mong muốn. 2.3 Xác định TSHH của kéo bằng kỹ thuật ngược 2.3.1 Khảo sát bản vẽ thiết kế kéo mổ y tế đầu cong 2.3.2. Quét kéo mẫu và thiết kế ngược 2.3.2.1 Chọn kéo mẫu Khảo sát thực tế một số (5) kéo mẫu nhập ngoại (Đức và Pakistan) và sản xuất trong nước đang sử dụng phổ biến trên thị trường. 2.3.2.2 Ứng dụng máy Scan ATOS-I-2M và phần mềm GOM để quét đo kéo mẫu Bằng phương pháp quét và thiết kế ngược (Scan ATOS-I-2M và phần mềm Atos) đã khẳng định: Hệ phương trình mà tác giả đưa ra hoàn toàn có thể áp dụng chung cho các loại kéo, vì có thể xác định được các thông số ban đầu của kéo phù hợp với HPT Hình 2.16 Sơ đồ quét kéo trên máy quét Scan (2.4) ATOS-I-2M Sau khi thiết kế có thể so sánh ngược lại với đám mây điểm đã quét thấy độ lệch giữa mô hình CAD và đám mây điểm rất bé. Sai lệch của mô hình trong khoảng  0.05 mm ( màu xanh lá cây). Xem hình 2.22. Hình 2. 22 Hình ảnh đám mây điểm và thiết kế ngược, so sánh kết quả thiết kế. Tác giả đã dùng kỹ thuật ngược để khảo sát 05 mẫu kéo mổ y tế đầu cong phổ biến trên thị trường. Bằng cách sử dụng phần mềm quét và thiết kế ngược chuyên dụng để khảo sát, tác giả đã xác định và chỉ ra được sự biến đổi thực tế của các TSHH của kéo mổ y tế đầu cong trong hệ phương trình đường cong lưỡi cắt (2.4). Các TSHH của chúng luôn biến đổi trên suốt chiều dài lưỡi cắt. Tuy nhiên cùng với vị trí trên vòng xuyến ta có thể xác định được cung cong giới hạn lớn nhất, nhỏ nhất cho sự biến đổi đó. Biểu đồ biểu diễn thông số lưỡi cắt vế phải kéo 3 như hình 2.24, 2.25.
  13. 13 Hình 2.24, 2.25 Đồ thị các thông số hình học kéo 3 – kéo MetZenbaum 2.4 Đề xuất kéo mô hình thí nghiệm Từ các phân tích các kéo mẫu khảo sát và TCVN về kéo y tế cũng có kết quả tương tự kéo 3, luận án chọn kéo mẫu thí nghiệm có hình dạng tương tự kéo Moayo 160 đầu cong với các TSHH là thông số phổ biến trên thị trường. Kết luận chương 2 Bằng việc phân tích hình dạng hình học các bề mặt tạo nên lưỡi cắt từ các kéo mẫu và ứng dụng kỹ thuật ngược, luận án đã: 1) Xây dựng được phương pháp mô hình hoá lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong dưới dạng giao tuyến của mặt trụ với mặt xuyến cho phép thiết lập hệ phương trình xác định biên dạng đường cong lưỡi cắt (2.4), mặt khác cũng thiết lập được các phương trình biểu diễn các thông số khác như góc trước, góc sau, mặt trước và mặt sau của lưỡi cắt. 2) Hệ phương trình (2.4) và các phương trình được thiết lập chứa tất cả các TSHH của lưỡi kéo, cùng với giải thuật và chương trình tính toán đã được thiết lập cho phép tính toán, xác định biên dạng và các TSHH lưỡi cắt của các loại kéo với các kích thước và hình dạng khác nhau. Đó là cơ sở khoa học quan trọng cho việc thiết kế lưỡi kéo; 3) Từ hệ phương trình toán học đã được thiết lập, cho phép điều chỉnh linh hoạt các TSHH của lưỡi cắt trong quá trình gia công một cách nhanh chóng nhằm chế tạo được lưỡi kéo phù hợp yêu cầu thiết kế. Đó cũng là cơ sở khoa học quan trọng cho việc lựa chọn phương pháp tạo hình lưỡi kéo của luận án; 4) Nhờ ứng dụng kỹ thuật ngược đã xác định được bộ thông số cơ bản của lưỡi kéo và sự biến đổi của chúng trên các kéo mẫu đang được sử dụng phổ biến tại Việt Nam (kéo mổ y tế đầu cong Moayo 160 (Nhà máy Y cụ 2 – MEINFA), kéo Moayo của Pakistan, kéo MetZenbaum của Đức). Cho phép tìm ra bộ thông số phù hợp để đưa vào làm thông số thiết kế và chế tạo của kéo mẫu thí nghiệm thuộc luận án : Bán kính cong trong XOY RCL = RCR = 550 mm = const; bán kính cong lưỡi cắt vế trái RXL = 125 mm = const; còn vế phải RXR điều chỉnh trong khoảng 130  200 mm; bán kính long mo Rs = 145  175 mm; góc sau lưỡi cắt 1  3o, góc trước lưỡi cắt  = 20  30 o. Đây cũng chính là cơ sở để tiến hành thực nghiệm mài và xác định TSHH lưỡi cắt kéo mẫu thí nghiệm ở chương 4.
  14. 14 Chương 3. NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP MÀI TẠO HÌNH LƯỠI CẮT KÉO MỔ Y TẾ ĐẦU CONG Để mài tạo hình lưỡi cắt, đá mài cần thực hiện các chuyển động theo 3 phương để bám theo đường cong lưỡi cắt của kéo; Ngoài ra, để tạo thành mặt trước, mặt sau tùy theo hình dạng của đá, mà đá mài cần chuyển động quay quanh 2 hoặc 3 trục để tạo hướng tương đối giữa đá mài và kéo, sao cho bề mặt đá tiếp xúc với bề mặt kéo mà không bị cắt lẹm. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng các thiết bị công nghệ cao. NCS trình bày quá trình tính toán, mô phỏng mài trên robot và máy CNC bao gồm: Thiết kế mô hình robot, máy CNC dựa trên mô hình thực, xây dựng giải thuật tính toán và lập trình mô phỏng quá trình mài. 3.1 Các phương pháp mài thông thường 3.1.1 Mài mặt sau a. Phương án 1: Đá có biên dạng định hình Rđ = Rs và mài theo phương pháp định hình. b. Phương án 2: Trục đá nằm trong mặt phẳng mang kéo và song song với trục Oy Khi Rđ = Rm; Nếu Rđ < Rm thì ta xoay trục đá đi 1 góc và kéo có thêm chuyển động lắc. 3.1.2 Mài mặt trước: Được thực hiện bằng tay (tựa theo bề mặt kéo đã dập với lượng dư mài thô + tinh khoảng 0,2mm). Như đã nêu ở trên, lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong, cong 3 chiều do vậy phương pháp mài phải tạo ra cho đá và kéo có 3 chuyển động tạo vị trí và 3 chuyển động tạo hướng. Các chuyển động đó có thể được thực hiện bằng tay trên máy mài 2 đá hoặc đá đĩa… song chất lượng tạo hình sẽ không ổn định, khó đảm bảo độ chính xác, … Vì vậy cần cải tiến mài trên máy công nghệ cao như robot hoặc máy CNC. 3.2 Các phương pháp mài bằng robot Bằng việc ứng dụng robot cho quá trình mài giúp đảm bảo lưỡi cắt hình thành với các thông số kỹ thuật đã đặt ra: không bị đá cắt lẹm, góc cắt chính xác và lưỡi đủ sắc để làm việc. Hơn nữa, sử dụng robot là phù hợp xu hướng tăng khả năng khai thác các thành tựu về khoa học công nghệ và thiết bị công nghệ tiên tiến, nâng cao chất lượng, tăng năng suất làm việc, giảm chi phí chế tạo. 3.2.1 Mài bằng robot 6 bậc tự do Robot 6 bậc tự do cho khả năng chuyển động của khâu thao tác đạt được vị trí và hướng bất kỳ trong vùng làm việc của nó. 3.2.1.1 Phương pháp tam diện trùng theo Gắn vào các đối tượng này các hệ tọa độ phù hợp (hình 3.4). Trên đường dụng cụ của đối tượng được gia công, tại mỗi điểm ta gắn một hệ tọa độ 3 trục vuông góc OFxFyFzF: - OF nằm trên đường dụng cụ Hình 3. 4 Hệ tọa độ của dụng - OFxF là trục tiếp tuyến của đường dụng cụ cụ và chi tiết gia công [38] - OFzF là trục pháp tuyến, thường là pháp tuyến với bề mặt gia công - OFyF là trục trùng pháp tuyến, tạo thành hệ tọa độ thuận. Áp dụng phương pháp tam diện trùng theo (Accompanying trihedron) [4,..,6], ta sử dụng một hệ tọa độ biểu diễn đặc trưng hình học của lưỡi cắt, ký hiệu là OkXkYkZk, gốc tại các điểm của đường cong lưỡi cắt với các tọa độ là xk, yk, zk trong hệ tọa độ kéo. Hướng của hệ OkXkYkZk được xác định sao cho có một trục, chẳng hạn chọn trục Xk là tiếp tuyến của đường cong lưỡi cắt. Trục Zk là pháp tuyến của đường cong, và là trục pháp tuyến trước trong mặt cắt pháp tuyến của
  15. 15 đường cong lưỡi cắt của kéo khi mài mặt trước và là trục pháp tuyến sau khi mài mặt sau của kéo. Trục Yk xác định theo quy tắc hệ tọa độ thuận. Quá trình tiếp xúc gia công của bề mặt dụng cụ cắt lên bề mặt được gia công được thực hiện với điều kiện trùng nhau (3.1) để chi tiết không bị cắt lẹm. OE xE yE zE  OF xF yF zF ( 3.1) Hình 3.7; 3.8; 3.9. Tam diện trùng theo của lưỡi kéo Hệ tọa độ OkXkYkZk biểu diễn đặc trưng hình học của lưỡi cắt và được gọi là tam diện trùng theo của lưỡi kéo, có thể biểu diễn trong hệ tọa độ kéo OdXdYdZd bởi ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất dApk.  c11k c12 k c13k xk  c yk  d Apk   21k c22 k c23k  (3.2)  c31k c32 k c33k zk     0 0 0 1  Các phần tử của ma trận dApk gồm các tọa độ của các điểm của lưỡi cắt xk, yk, zk, và các phần tử cijk của ma trận cosin chỉ hướng được tính từ các hệ phương trình xác định lưỡi cắt (1),..,(4), và góc trước , hoặc góc sau . Gọi hệ tọa độ cơ sở (toàn thể) là O0X0Y0Z0, nếu biểu diễn hệ tọa độ của lưỡi kéo trong hệ tọa độ cơ sở bởi ma trận 0Ad, ta có biểu diễn tam diện trùng theo của lưỡi kéo trong hệ tọa độ cơ sở: C pk rpk  (3.3) 0 Apk  0 Ad d Apk   T   0 1  Đặc trưng hình học của lưỡi cắt của đá mài là tam diện trùng theo OEXEYEZE, gọi là tam diện đá mài. Ở đây gốc tam diện, là một điểm quy ước chọn trên đường biên dạng của đá mài. Gốc tam diện được chọn tại một điểm trên đường tròn. Trục XE tiếp tuyến với đường tròn, trục ZE theo đường sinh mặt trụ, trục YE xác định theo quy tắc hệ tọa độ thuận. Hình 3.11. Đá mài hình trụ, hình côn tròn Tại các điểm trên đường cong lưỡi kéo, trạng thái (vị trí và hướng) của tam diện đá mài khi đang thực hiện thao tác công nghệ lên đối tượng gia công được biểu diễn trong hệ tọa độ cơ sở bởi ma trận 0AEk có dạng (chỉ số k biểu diễn các điểm trên đường cong LC):
  16. 16  cEk 11 cEk 12 cEk 13 xEk  c cEk 22 cEk 23 y Ek  0 AEk   Ek 21 ,  cEk 31 cEk 32 cEk 33 z Ek     0 0 0 1  CEk rEk  (3.4) 0 AEk   T  0 1  Điều kiện đó cho phép nhận được các hệ thức ràng buộc giữa các phần tử của các ma trận 0Apk và 0AEk, dạng:  p j ( rpk , rEk )  0,    g n (C pk , CEk )  0  (3.5) Tùy thuộc số bậc tự do của robot và điều kiện kỹ thuật của thao tác công nghệ, j=13 ứng với các điều kiện về vị trí, n=13 ứng với các điều kiện về hướng. Để đảm bảo tạo hình lưỡi kéo và không cắt lẹm, yêu cầu kỹ thuật của quá trình gia công là tam diện OEkXEkYEkZEk của đá mài và tam diện lưỡi cắt OkXkYkZk trùng nhau tại mỗi điểm của đường cong lưỡi cắt của kéo. Như vậy, hệ (3.5) gồm 6 phương trình trong đó 3 phương trình đầu biểu diễn quan hệ về vị trí gốc hệ tọa độ, 3 phương trình cuối biểu diễn về hướng. Để đá mài đạt được vị trí và hướng thỏa mãn hệ phương trình (3.5), tam diện của đá cần có 6 bậc tự do chuyển động, do vậy robot mang và di chuyển đá phải có 6 bậc tự do. 3.2.1.2. Lựa chọn phương án lập trình mài kéo mổ y tế đầu cong Có 3 phương án mài kéo trên robot thông thường: Chi tiết (CT) đứng yên, đá thực hiện các chuyển động (CĐ) mài (Đá đĩa), Ngược lại đá đứng yên, CT chuyển động; Đá trụ CĐ , CT đứng yên. Luận án lựa chọn phương án chi tiết đứng yên, đá thực hiện các chuyển động mài tạo hình. 3.2.1.3 Lập trình mài trên robot 6 bậc tự do a. Phương trình động học robot (PA3) Luận án sử dụng robot hàn 6 bậc tự do để cho quá trình mài lưỡi cắt của kéo mổ y tế đầu cong đang được nghiên cứu. Trên hình 3.17 chỉ ra cấu trúc động học của các loại robot gia công cơ khí có dạng như trên hình 3.17. Áp dụng phương pháp Denavit-Hartenberg (DH), các hệ tọa độ khâu và hệ tọa độ cơ sở được xây dựng. Bảng 3.1 chỉ ra các tham số động học DH. Hình 3. 17. Cấu trúc động học, các Bảng 3.1 Tham số động học DH hệ tọa độ của robot 6 bậc tự do Joint i di ai i Joint i di ai i 1 1 d1 a1 1 4 4 d4 0 4 2 2 d2 a2 0 5 5 0 0 5 3 3 d3 a3 3 6 d6 6 a6 0 Áp dụng ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất DH ta tính được các ma trận truyền biến đổi tọa độ thuần nhất trên chuỗi động học của robot 0A1(q1), 1A2(q2),.., 5A6(q6). Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất 0AE(q) của khâu thao tác được xác định bởi:
  17. 17 0 AE ( q)  0 A6 ( q)  0 A1 ( q1 )... 5 A6 ( q6 ) (3.6) q   q1 , q2 ,.., q6   1 ,  2 ,..,  6  T T Với: (3.7) là vector tọa độ khớp của robot . Bằng cách biểu diễn như vậy, từ hệ phương trình (3.11), nhận được hệ phương trình động học của robot với rpk (t), Cpk (t).  p j  rpk  t  , q   0, j  1, 2,3  (3.8)   g n  C pk  t  , q   0,  n  1, 2,3 b. Quỹ đạo chuyển động của robot Trước hết ta chọn hệ tọa độ bàn máy kẹp chi tiết gia công, chính là hệ tọa độ của lưỡi kéo, ký hiệu OdXdYdZd, xác định trong hệ tọa độ cơ sở bởi các tham số x d, yd, zd, rotx, roty, royz. Với các tham số này, ma trận 0Ad sẽ tính được. Để các phần tử ma trận dApk tính được theo các hệ phương trình các góc trước , hoặc góc sau , trong hệ tọa độ kéo OdXdYdZd, ta cho các tọa độ tâm mặt trụ và bán kính mặt trụ xc, yc, zc, rc, tâm mặt xuyến và bán kính vòng xuyến x e, ye, ze, re, và bán kính vòng tròn của mặt xuyến rs. Với các tham số đã tính được giải hệ phương trình động học robot (3.8) ta tính được quỹ đạo chuyển động của robot. 3.2.1.4. Kết quả tính toán và mô phỏng a. Các thông số tính toán Bảng 3.3. Bảng giá trị tham số động học DH Joint i di ai  i Joint  i di ai i 1 1 0,415 0,160 90 0 4  4 -0,680 0 -900 2 2 0,040 0,580 0 5 5 0 0 900 3 3 -0,040 0,125 900 6 6 -0,348 -0,020 0 Bảng 3.4. Tham số định vị hệ tọa độ kéo xd yd zd rotx roty royz 1.0 0 0,065 0 0 5/18 Bảng 3.5. Tọa độ tâm và bán kính mặt trụ xc yc zc rc -0.54372 -0,01735 0 0,55 Bảng 3.6. Tọa độ tâm, bán kính vòng xuyến và bán kính vòng tròn tiết diện mặt xuyến. xe ye ze re rs 0 0,012 0,1642 0,1652 0,175 Đơn vị các giá trị dài là mét (m). Vận tốc (ăn dao) khi mài cho v r = 0.3m/s. Vận tốc mài Vc khoảng 30m/s. b. Kết quả: Hình 3.18. Biên dạng đường cong lưỡi cắt của kéo. Hình 3.19. Vị trí các khâu theo thời gian (s)
  18. 18 Biên dạng đường cong lưỡi cắt của kéo trong hệ tọa độ kéo được thể hiện trên hình 3.20. Đơn vị trên các trục tọa độ là mm. Hình 3. 21, 3.22 Mô phỏng mài mặt trước, mặt sau lưỡi cắt bằng Robot 6 trục 3.2.2 Mài bằng robot 5 bậc tự do Mài bằng robot 6 bậc tự do đòi hỏi phải lắp thêm trên khâu 6 một đầu đá phụ được dẫn động riêng làm cho kết cấu phức tạp và tính cứng vững bị giảm, Vì vậy tác giả đề xuất phương án mài lưỡi cắt bằng robot 5 bậc tự do, có độ cứng vững và kết cấu đơn giản hơn. Do thay khâu 6 bằng trục đá mài (hình 3.23). Các tính toán mô phỏng tương tự như mài bằng robot 6 bậc tự do. Điểm khác là thay TSĐH khâu 6 bằng thông số đá mài. Hình 3. 23 Mô hình tiếp xúc Hình 3. 27, 3.28 Mô phỏng quá trình mài mặt trước, mặt lưỡi kéo và bề mặt đá sau của lưỡi cắt của kéo trái bằng robot 5 trục 3.2.3 Mài bằng robot tác hợp Hệ robot tác hợp (Mechanism of Relative Maipulation MRM) [6,7,16,17,37] được giới thiệu (Hình 3.29) gồm một robot dụng cụ ba bậc tự do kết hợp với robot đồ gá hai bậc tự do mang chi tiết gia công. robot dụng cụ ba bậc tự do với hai bậc tự do quay, bậc tự do thứ ba là chuyển động tịnh tiến của khâu thứ ba mang đá mài. robot đồ gá gồm hai bậc tự do quay quanh hai trục vuông góc với nhau để tạo hướng cho bề mặt mài. Lưỡi kéo được kẹp chặt vào mâm kẹp là một khâu của robot đồ gá. Nguyên tắc mài ở đây là đá sẽ di chuyển dọc theo quỹ đạo là đường lưỡi kéo để thực hiện quá trình mài mặt trước, mặt sau của LC. Hình 3. 29 Mô hình mài lưỡi kéo bằng robot tác hợp Với cùng thông số đầu vào, cho kết quả đầu ra giống như mài trên robot 6, 5 bậc tự do (hình 3.31), hình 3.32 là vị trí chuyển động của các khâu của robot tác hợp.
  19. 19 Bảng 3. 30 Biên dạng đường cong lưỡi cắt Bảng 3. 31 Vị trí các khâu theo mài bằng robot tác hợp thời gian t(s) 3.3 Mài trên trung tâm gia công CNC Có thể coi máy phay CNC tương tự như robot tác hợp 5 trục. Hình 3. 33 Mô hình mài lưỡi kéo bằng máy CNC Trên hình 3.33 giới thiệu mô hình cấu trúc máy CNC năm trục thông dụng với đầu dụng cụ có ba chuyển động tịnh tiến ứng với ba bậc tự do và bàn máy động có hai chuyển động quay quanh hai trục vuông góc với nhau. Phương pháp khảo sát, tính toán giống với robot tác hợp. Khi sử dụng robot, máy CNC (5 trục trở lên) trong tạo hình lưỡi cắt, có thể làm thay đổi bất kỳ thông số nào của lưỡi cắt để phù hợp với yêu cầu một cách linh hoạt, nhanh chóng mà không phải thay đổi đồ gá và thiết bị. Kết luận chương 3 1) Từ cơ sở phân tích chuyển động tạo hình tạo nên lưỡi kéo và việc chỉ ra các tồn tại của các phương pháp mài tinh lưỡi kéo bằng công nghệ truyền thống, luận án đã phát triển một số thiết bị gia công có chuyển động phức tạp như: robot 5, 6 bậc tự do, robot tác hợp và máy CNC 5 trục có sử dụng phương pháp tam diện trùng theo để mài tinh lưỡi kéo với các TSHH của kéo mẫu thí nghiệm được đề xuất ở chương 2. 2) Từ phương pháp tạo hình đã được xây dựng, chương 3 đã sử dụng các phần mềm phù hợp để tính toán, lập trình thiết kế quĩ đạo chuyển động và mô phỏng quá trình mài tạo hình lưỡi kéo trên các máy công nghệ cao ở trên. 3) Các chương trình đã được xây dựng cho phép tính toán và xác định các phương pháp điều chỉnh TSHH của lưỡi kéo một cách linh hoạt ngay trong quá trình gia công, từ đó dễ dàng điều khiển chuyển động của dụng cụ một cách linh hoạt để tạo ra lưỡi cắt có TSHH theo yêu cầu, tạo điều kiện cải thiện tính cắt sắc, hướng tới cải thiện chất lượng làm việc của kéo. 4) Kết quả nghiên cứu tại chương 3 tạo cơ sở khoa học cho việc thực nghiệm mài tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong ở chương 4.
  20. 20 Chương 4. THỰC NGHIỆM TẠO MÀI HÌNH LƯỠI CẮT, ĐO LỰC CẮT KÉO MỔ Y TẾ ĐẦU CONG Nhằm chứng minh sự phù hợp của hệ phương trình (2.4) xác định đường cong lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong; Tính đúng đắn của phương pháp tạo hình các bề mặt tạo nên lưỡi cắt; Sự khác biệt về lực cắt kéo kéo mẫu thí nghiệm được mài theo luận án với một số kéo mẫu trên thị trường, từ đó xác định phương án cải thiện tính cắt sắc của kéo, hướng tới cải thiện chất lượng làm việc của kéo. 4.1 Thiết kế kéo mẫu thí nghiệm 4.1.1 Lựa chọn mẫu kéo mẫu thí nghiệm 4.1.2 TSHH của kéo mẫu thí nghiệm TSHH của kéo mẫu thí nghiệm được cho như sau: a. Lưỡi cắt trái 25.160.125 (góc trước  = 25°, bán kính lòng mo Rm 160mm, bán kính xuyến Rx 125mm). Cung r giữa mặt trước, mặt sau r ≤ 0.02mm. Hình 4.2. Phôi kéo mẫu thí nghiệm b. Lưỡi cắt phải 25.160.165 (góc trước  = 25°, bán kính lòng mo Rm 160mm, bán kính xuyến Rx 165mm). Cung r giữa mặt trước, mặt sau r ≤ 0.02mm. 4.2. Thực nghiệm mài lưỡi cắt 4.2.1 Chuẩn bị thí nghiệm 4.2.1.1. Chuẩn bị phôi kéo mẫu thí nghiệm Phôi kéo mẫu thí nghiệm là kéo bán tinh được mua trên thị trường còn đủ lượng dư để mài tạo hình lưỡi cắt theo các thông số ở mục 4.1.2. 4.2.1.2 Tiến trình gia công lưỡi cắt của kéo - Gia công mặt trụ Rc trên máy phay CNC; - Mài bán tinh lòng mo đảm bảo bán kính Rs (để lượng dư 0,1mm); - Mài mặt trước đảm bảo góc trước  (hình 4.10) trên robot - Mài lòng mo đảm bảo bán kính Rs; Hình 4.10. Sơ đồ mài kéo bằng robot OTC Hình 4.6 Sơ đồ mài lòng mo Rm AII-V6 Mặt trước của lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong là mặt cong số, tại mỗi điểm trên lưỡi cắt thay đổi cả vị trí và hướng. Để mài được mặt trước của lưỡi cắt ta cần chia đường cong lưỡi cắt thành N điểm. Tại mỗi điểm sẽ có một trị số x, y, z, , ϴ tương ứng. Chương trình mang đầu đá thực hiện chuyển động mài theo yêu cầu. 4.2.1.3 Gia công mặt trụ Rc 4.2.1.4 Mài mặt sau (lòng mo) 4.2.1.5 Mài mặt trước 4.3 Ứng dụng kỹ thuật ngược kiểm tra kéo mẫu thí nghiệm 4.3.1 Quan sát bằng mắt và đo bằng dưỡng cong: Đường cong lưỡi cắt suôn đều, khít dưỡng, khe hở đều, vết cắt ngọt, cắt gạc 2 lớp không rút sợi, cảm giác cắt nhẹ, không nhay trượt … đạt yêu cầu kỹ thuật. 4.3.2 Kết quả quét và thiết kế ngược
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.01: Bộ Luận Văn Thạc Sĩ Quản Trị Kinh Doanh MBA
165 tài liệu
2068 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2