Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, nhu cầu số hóa dữ liệu bề mặt vật thể ngày càng tăng cao nhằm phục vụ cho các quy trình thiết kế, sản xuất và kiểm tra chất lượng sản phẩm. Theo ước tính, việc ứng dụng kỹ thuật số hóa bề mặt giúp giảm thiểu thời gian thiết kế sản phẩm mới đến 30% và tăng độ chính xác đo lường lên đến 95%. Vấn đề nghiên cứu trong luận văn tập trung vào thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị số hóa dữ liệu bề mặt vật thể kiểu tay robot, nhằm nâng cao hiệu quả và giảm chi phí so với các thiết bị nhập khẩu hiện có. Mục tiêu cụ thể là phát triển một thiết bị số hóa 3D dựa trên nền tảng máy đo tọa độ 2D đã có sẵn, bổ sung trục Z và phần mềm xử lý dữ liệu để tạo ra mặt cong 3D chính xác. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên trong năm 2016, với ứng dụng hướng tới các cơ sở sản xuất có máy CNC nhưng chưa đủ điều kiện đầu tư máy đo nhập khẩu. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao khả năng nội địa hóa thiết bị đo, giảm chi phí đầu tư, đồng thời hỗ trợ giảng dạy và nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí và tự động hóa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Kỹ thuật sản xuất ngược (Reverse Engineering - RE): Là quá trình tái tạo bản vẽ thiết kế từ dữ liệu số hóa bề mặt vật thể, giúp tạo ra các mẫu thiết kế mới hoặc phục hồi chi tiết không còn bản vẽ gốc.
  • Máy đo tọa độ (Coordinate Measuring Machines - CMM): Thiết bị cơ điện tử dùng để thu thập tọa độ các điểm trên bề mặt vật thể, gồm nhiều cấu hình như Bridge, WorkShop-Floor và Arm (tay robot).
  • Lý thuyết động học robot: Áp dụng phương pháp Denavit-Hartenberg (DH) để mô hình hóa và giải bài toán động học thuận, nghịch cho tay robot 3 bậc tự do, xác định vị trí và hướng của đầu đo trong không gian 3 chiều.
  • Phương pháp xây dựng đường cong và mặt cong: Bao gồm các kỹ thuật nội suy đa thức Lagrange, Hermite, Spline bậc 3, và phương pháp xấp xỉ Bézier, B-spline. Đề tài tập trung phát triển phương pháp số dựa trên dữ liệu đám mây điểm (Point Cloud) và kỹ thuật làm mịn đường cong bằng cách nối các điểm gần nhau nhất, đảm bảo độ chính xác cao và khả năng mô tả các bề mặt phức tạp.
  • Phương pháp tối ưu hóa: Sử dụng công cụ Solver trong MS Excel để giải bài toán động học nghịch, tìm các biến khớp sao cho sai số vị trí và hướng của đầu đo là nhỏ nhất.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ thiết bị CMM 2D đã có, được nâng cấp thêm trục Z và đầu đo hình cầu tự chế tạo. Dữ liệu tọa độ điểm 3D được ghi nhận qua các cảm biến encoder và bộ điều khiển PLC.
  • Phương pháp phân tích: Kết hợp lý thuyết động học robot để mô hình hóa chuyển động tay robot, phân tích sai số thiết bị dựa trên độ phân giải encoder, khe hở cơ khí và sai số truyền động vít-me bi. Phần mềm xử lý số liệu được phát triển trên nền Matlab và Excel để xây dựng mặt cong 3D từ dữ liệu điểm thô.
  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong năm 2016, bao gồm các giai đoạn thiết kế cơ khí, chế tạo phần cứng, lập trình phần mềm, thử nghiệm và đánh giá độ chính xác thiết bị.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế và chế tạo thành công thiết bị số hóa 3D: Thiết bị được nâng cấp từ máy CMM 2D với bổ sung bộ trượt trục Z, mô-tơ bước và PLC điều khiển, có không gian làm việc hiệu quả 150x100x100 mm. Đầu đo hình cầu đường kính 3 mm được chế tạo từ viên bi tiêu chuẩn NSK, đảm bảo độ cứng và độ chính xác cao.
  2. Độ chính xác đo đạt yêu cầu: Qua thử nghiệm với dưỡng mẫu, sai số kích thước đo được nằm trong khoảng cho phép, đảm bảo độ chính xác hình dáng hình học và kích thước theo tiêu chuẩn kỹ thuật. Ví dụ, sai số đo chiều dài không vượt quá ±0.05 mm, độ lệch vị trí đầu đo dưới 0.02 mm.
  3. Phần mềm xử lý dữ liệu hiệu quả: Thuật toán làm mịn dữ liệu đám mây điểm và xây dựng mặt cong 3D hoạt động ổn định, xử lý được khoảng 1000 vòng lặp làm mịn, cho kết quả mặt cong mượt mà, phù hợp với các ứng dụng CAD/CAM.
  4. Phương pháp giải bài toán động học nghịch bằng tối ưu hóa: Sử dụng Solver trong Excel cho phép xác định chính xác các biến khớp của tay robot, giúp tính toán tọa độ đầu đo nhanh chóng và chính xác, giảm sai số tích lũy trong quá trình đo.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của thiết bị đến từ việc áp dụng đồng bộ các kỹ thuật robot, cơ khí chính xác và phần mềm xử lý số liệu hiện đại. So với các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam, thiết bị có ưu điểm về chi phí thấp hơn do sử dụng linh kiện nội địa hóa và thiết kế đơn giản, đồng thời vẫn đảm bảo độ chính xác cao. Kết quả thử nghiệm cho thấy sai số chủ yếu phát sinh từ khe hở cơ khí và độ phân giải encoder, điều này phù hợp với các báo cáo ngành về thiết bị CMM tay robot. Việc sử dụng phương pháp số để giải bài toán động học thay cho kỹ thuật dịch chuyển vi phân truyền thống giúp tăng độ chính xác và tính linh hoạt trong thiết kế. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ sai số theo từng trục và bảng so sánh độ chính xác giữa thiết bị tự chế tạo và máy nhập khẩu, minh họa rõ hiệu quả của giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường độ phân giải cảm biến: Nâng cấp encoder lên loại có số xung/vòng cao hơn (ví dụ 10,000 xung/vòng) để giảm sai số đo, hướng tới cải thiện độ chính xác vị trí đầu đo dưới 0.01 mm trong vòng 1 năm, do bộ phận kỹ thuật cơ khí thực hiện.
  2. Cải tiến cơ cấu truyền động: Giảm khe hở cơ khí bằng cách sử dụng ổ bi chất lượng cao và vít-me bi có dung sai chặt chẽ hơn, nhằm giảm sai số cơ học tích lũy, dự kiến hoàn thành trong 18 tháng, phối hợp với nhà cung cấp linh kiện.
  3. Phát triển phần mềm xử lý dữ liệu nâng cao: Tích hợp thuật toán nội suy spline bậc cao và xử lý dữ liệu đám mây điểm theo thời gian thực, giúp tăng tốc độ và độ mượt của mặt cong 3D, hoàn thiện trong 12 tháng, do nhóm phần mềm đảm nhiệm.
  4. Mở rộng không gian làm việc và bậc tự do: Thiết kế thêm các khớp quay hoặc trục tịnh tiến để tăng phạm vi quét và khả năng số hóa các vật thể có hình dạng phức tạp hơn, kế hoạch nghiên cứu trong 2 năm tiếp theo, phối hợp giữa phòng thí nghiệm và doanh nghiệp sản xuất.
  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho các cơ sở sản xuất và trường đại học nhằm phổ biến công nghệ số hóa bề mặt kiểu tay robot, nâng cao năng lực ứng dụng trong thực tế, triển khai liên tục hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các cơ sở sản xuất cơ khí và gia công CNC: Có thể ứng dụng thiết bị số hóa để kiểm tra chất lượng sản phẩm, phục vụ sản xuất ngược và nâng cao độ chính xác gia công.
  2. Trường đại học và viện nghiên cứu kỹ thuật: Sử dụng làm tài liệu tham khảo trong giảng dạy, nghiên cứu phát triển thiết bị đo lường cơ điện tử và robot công nghiệp.
  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị đo lường: Tham khảo để phát triển sản phẩm số hóa bề mặt giá thành thấp, phù hợp với thị trường trong nước.
  4. Kỹ sư thiết kế và lập trình phần mềm CAD/CAM: Áp dụng các thuật toán xử lý dữ liệu đám mây điểm và mô hình hóa mặt cong trong thiết kế và gia công sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thiết bị số hóa kiểu tay robot có ưu điểm gì so với máy CMM truyền thống?
    Thiết bị có kích thước nhỏ gọn, linh hoạt trong sử dụng, chi phí thấp hơn nhiều so với máy CMM cấu hình Bridge hoặc WorkShop-Floor, phù hợp với các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ.

  2. Độ chính xác của thiết bị có đáp ứng được yêu cầu công nghiệp không?
    Qua thử nghiệm, sai số đo kích thước nằm trong khoảng ±0.05 mm, phù hợp với nhiều ứng dụng sản xuất và kiểm tra chất lượng trong ngành cơ khí chính xác.

  3. Phần mềm xử lý dữ liệu có thể xuất dữ liệu sang các định dạng CAD/CAM nào?
    Phần mềm hỗ trợ xuất dữ liệu sang các định dạng phổ biến như *.part, *.NC, giúp dễ dàng tích hợp với các phần mềm thiết kế và gia công như SolidWorks, Catia, ProEngineer.

  4. Thiết bị có thể số hóa các bề mặt phức tạp như thế nào?
    Nhờ sử dụng phương pháp số hóa đám mây điểm và làm mịn mặt cong, thiết bị có thể mô tả chính xác các bề mặt cong tự do, biên dạng lồi lõm mà các phương pháp đo truyền thống khó thực hiện.

  5. Làm thế nào để nâng cao độ chính xác và phạm vi làm việc của thiết bị?
    Có thể nâng cấp encoder, cải tiến cơ cấu truyền động, bổ sung thêm bậc tự do cho tay robot và phát triển phần mềm xử lý dữ liệu nâng cao để mở rộng không gian làm việc và tăng độ chính xác.

Kết luận

  • Đã thiết kế, chế tạo thành công thiết bị số hóa dữ liệu bề mặt vật thể kiểu tay robot với không gian làm việc 150x100x100 mm và độ chính xác đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.
  • Phát triển phần mềm xử lý dữ liệu đám mây điểm và xây dựng mặt cong 3D hiệu quả, hỗ trợ xuất dữ liệu sang các định dạng CAD/CAM.
  • Áp dụng phương pháp động học robot và tối ưu hóa để giải bài toán động học nghịch, nâng cao độ chính xác tính toán vị trí đầu đo.
  • Thiết bị có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong sản xuất cơ khí, giảng dạy và nghiên cứu khoa học, góp phần nâng cao năng lực nội địa hóa thiết bị đo lường.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cấp thiết bị về cảm biến, cơ cấu truyền động và phần mềm nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng và cải thiện độ chính xác trong tương lai.

Hành động tiếp theo là triển khai các đề xuất nâng cấp, đồng thời tổ chức đào tạo chuyển giao công nghệ để thiết bị được ứng dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất và nghiên cứu.