Luận Văn Thạc Sĩ Nghiên Cứu Thiết Kế Và Chế Tạo Đồ Gá Cho Máy CMM

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu thiết kế và chế tạo đồ gá cho máy cmm, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Nguyễn Thành Minh
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Bá Trương Đài
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế Và Chế Tạo Đồ Gá Cho Máy CMM
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM KẾT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Phương pháp nghiên cứu
• 1.2. Phạm vi giới hạn đề tài
• 1.3. Phần thiết kế và chế tạo đồ gá
• 1.4. Vài nét sơ lược về đồ gá đo
• 1.5. Quá trình gá đặt
• 1.6. Kết cấu chung của đồ gá
• 1.7. Các cơ cấu đồ gá có sẵn trên thị trường
• 1.8. Các thành phần của đồ gá
• 1.9. Giới thiệu về máy CMM
• 1.10. Lịch sử về máy đo CMM
• 1.11. Chi tiết về máy đo CMM
• 1.12. Các giai đoạn của máy CMM
• 1.13. Các thương hiệu CMM phổ biến trên thế giới
• 2. CHƯƠNG 2: PHẦN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ĐỒ GÁ
• 2.1. Vài nét sơ lược về đồ gá đo
• 2.2. Ưu điểm
• 2.3. Quá trình gá đặt
• 2.4. Kết cấu chung của đồ gá
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về máy CMM và đồ gá

Máy CMM (Coordinate Measuring Machine) là thiết bị đo lường chính xác, được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo. Đồ gá cho máy CMM đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác của quá trình đo lường. Đồ gá giúp định vị và giữ chặt chi tiết trong suốt quá trình đo, từ đó nâng cao độ tin cậy của kết quả đo. Việc thiết kế đồ gá cần phải dựa trên các yêu cầu kỹ thuật cụ thể của từng loại chi tiết. Theo nghiên cứu, đồ gá đo chiếm khoảng 30-40% trong tổng số đồ gá sử dụng trong ngành chế tạo. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc phát triển và tối ưu hóa đồ gá cho máy CMM nhằm giảm thiểu thời gian và chi phí sản xuất.

1.1. Lịch sử và phát triển của máy CMM

Máy CMM đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những năm đầu của thế kỷ 20. Ban đầu, máy CMM chỉ được sử dụng cho các phép đo đơn giản. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, máy CMM hiện nay có khả năng thực hiện các phép đo phức tạp với độ chính xác cao. Các thương hiệu nổi tiếng như Mitutoyo, Zeiss đã cho ra đời nhiều dòng máy CMM hiện đại, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp. Sự phát triển của máy CMM không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu thời gian kiểm tra, từ đó tăng năng suất lao động.

II. Thiết kế và chế tạo đồ gá cho máy CMM

Quá trình thiết kế đồ gá cho máy CMM bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, cần xác định yêu cầu kỹ thuật của chi tiết cần đo. Sau đó, tiến hành thiết kế mô hình 3D của đồ gá trên phần mềm Inventor. Việc sử dụng phần mềm này giúp mô phỏng chính xác các yếu tố kỹ thuật và tối ưu hóa thiết kế. Tiếp theo, bản vẽ kỹ thuật sẽ được xuất ra từ phần mềm Autocad để phục vụ cho quá trình gia công. Chế tạo đồ gá cần phải đảm bảo độ chính xác và độ bền, vì vậy việc lựa chọn vật liệu cũng rất quan trọng. Vật liệu Al-6061 thường được sử dụng do tính chất nhẹ và bền, phù hợp cho các ứng dụng trong ngành chế tạo.

2.1. Quy trình chế tạo đồ gá

Quy trình chế tạo đồ gá cho máy CMM bao gồm các bước như gia công chi tiết, lắp ráp và kiểm tra. Đầu tiên, các chi tiết sẽ được gia công theo bản vẽ đã thiết kế. Sau khi gia công xong, các chi tiết sẽ được lắp ráp lại với nhau để tạo thành một bộ đồ gá hoàn chỉnh. Cuối cùng, cần thực hiện kiểm tra độ chính xác của đồ gá trước khi đưa vào sử dụng. Việc kiểm tra này giúp đảm bảo rằng đồ gá có thể hoạt động hiệu quả và đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật trong quá trình đo lường.

III. Ứng dụng và giá trị thực tiễn của đồ gá cho máy CMM

Việc sử dụng đồ gá cho máy CMM mang lại nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp chế tạo. Đầu tiên, đồ gá giúp tăng độ chính xác trong quá trình đo lường, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm. Thứ hai, việc sử dụng đồ gá còn giúp giảm thời gian đo lường, góp phần tiết kiệm chi phí sản xuất. Ngoài ra, đồ gá còn giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tự động hóa trong ngành chế tạo. Các doanh nghiệp có thể áp dụng các giải pháp đồ gá này để nâng cao năng suất và giảm thiểu chi phí, từ đó tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường.

3.1. Tương lai của công nghệ đo lường 3D

Công nghệ đo lường 3D đang ngày càng phát triển và trở thành một phần không thể thiếu trong ngành công nghiệp chế tạo. Với sự tiến bộ của công nghệ, các hệ thống đo lường tự động sẽ được phát triển mạnh mẽ, giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người trong quá trình kiểm tra chất lượng. Điều này không chỉ giúp nâng cao độ chính xác mà còn tiết kiệm thời gian và chi phí. Trong tương lai, việc áp dụng công nghệ đo lường 3D sẽ trở nên phổ biến hơn, mở ra nhiều cơ hội mới cho các doanh nghiệp trong ngành chế tạo.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quy trình sản xuất và gia công cơ khí hiện đại, công tác đo kiểm và đảm bảo chất lượng đóng vai trò thiết yếu nhằm duy trì độ chính xác của sản phẩm, nâng cao hiệu quả kinh tế và khả năng cạnh tranh của doanh nghiệp. Sự phát triển của kỹ thuật đo lường tọa độ ba chiều (Coordinate Measuring Machine - CMM) cho phép đo kiểm các bề mặt cong, biên dạng phức tạp và các chỉ tiêu hình học mà các dụng cụ đo truyền thống cầm tay không thể thực hiện chính xác hoặc làm tiêu tốn nhiều thời gian.

Tuy nhiên, việc đo kiểm trên máy CMM đòi hỏi chi tiết phải được định vị và kẹp giữ ổn định trong không gian đo của hệ trục tọa độ Cartesian (X, Y, Z). Đồ gá đo kiểm chiếm khoảng 30% đến 40% tổng số trang thiết bị đồ gá trong sản xuất cơ khí. Mặc dù các hệ thống đồ gá CMM chuyên dụng trên thị trường quốc tế có độ chính xác cao và tính năng đa dạng, giá thành nhập khẩu của các bộ gá mô-đun thương mại này rất đắt đỏ, tạo ra rào cản tài chính lớn đối với các cơ sở đào tạo, trường đại học cũng như các doanh nghiệp cơ khí vừa và nhỏ.

Xuất phát từ thực tế giảng dạy và thực hành tại Phòng thí nghiệm Đo lường nâng cao thuộc Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đồ gá cho máy CMM" do sinh viên Nguyễn Thành Minh và Nguyễn Công Tuấn thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Bá Trương Đài và GVC. Đặng Minh Phụng đã được triển khai.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể:

1. Tổng quan cơ sở lý thuyết về nguyên lý hoạt động, cấu tạo của máy đo tọa độ 3D CMM và các hệ thống đồ gá đo chuyên dụng.
2. Nghiên cứu phương pháp tính toán, thiết kế kết cấu đồ gá đo CMM đáp ứng các nguyên tắc định vị và kẹp chặt.
3. Phân tích các phương án kết cấu, đề xuất giải pháp thiết kế tối ưu hóa chi phí cho các dạng chi tiết đo điển hình.
4. Chế tạo thực tế các mô hình đồ gá đo CMM và tiến hành lắp ráp, thử nghiệm gá đặt chi tiết phục vụ công tác đào tạo.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu các bộ đồ gá đo mô-đun và đồ gá chuyên dùng cho máy đo tọa độ 3D CMM.
• Phạm vi nghiên cứu: Chế tạo thử nghiệm đồ gá phục vụ đo kiểm các chi tiết có kích thước nhỏ và vừa trong phạm vi phòng thí nghiệm trường học; vật liệu chế tạo chính là hợp kim nhôm Al-6061.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng nghiên cứu dựa trên lý thuyết đo lường tọa độ 3D, nguyên lý gá đặt cơ khí và phân tích công nghệ đo tiếp xúc trên máy CMM.

Về nguyên lý gá đặt chi tiết đo: Quá trình gá đặt gồm hai giai đoạn độc lập là định vị (xác định vị trí tương đối của chi tiết trong hệ tọa độ đo) và kẹp chặt (giữ ổn định vị trí của chi tiết, chống xê dịch dưới tác động của lực tiếp xúc từ đầu dò mà không làm biến dạng chi tiết). Kết cấu đồ gá bao gồm:

• Cơ cấu định vị: Sử dụng các chi tiết tiếp xúc điểm, đường hoặc mặt như chốt tì chỏm cầu, chốt tì phẳng, chốt định tâm hình nón, khối đỡ V và phiến tì.
• Cơ cấu kẹp chặt: Sử dụng kẹp ren ốc, kẹp đòn bẩy phụ, thanh kẹp đàn hồi hoặc cơ cấu ngàm kẹp trượt dẫn động bằng vít me.
• Tấm đế đồ gá (Base plate): Chi tiết cơ sở có mạng lưới lỗ ren chuẩn (ren M6) để lắp ghép các mô-đun định vị và liên kết với bàn đo máy CMM.
• Các chi tiết nối ghép: Bulông, chân nâng ngắn/dài, thanh trượt dẫn hướng, chốt xoay.

Về nguyên lý máy CMM: Đồ án hệ thống hóa các kiến thức về máy đo tọa độ từ thế hệ thủ công (1959 - Ferranti), phát minh đầu dò tiếp xúc kích hoạt điện tử (1970 - David McMurtry/Renishaw) đến các dòng máy CNC 3 trục hiện đại (Mitutoyo Crysta-Apex V, MiSTAR 555, FARO Quantum MAX ScanArm). Quy trình xác lập hệ tọa độ và đo kiểm trên phần mềm CMM gồm: hiệu chuẩn kim đo bằng quả cầu MasterBall, thiết lập hệ tọa độ phôi (gốc tọa độ qua các lệnh xác định điểm, đường, mặt phẳng) và cài đặt khối không gian an toàn (safety box).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được nhóm tác giả áp dụng:

• Phương pháp lý thuyết: Thu thập và tổng hợp tài liệu kỹ thuật về đồ gá đo 3D; khảo sát các bài báo khoa học về tối ưu hóa gia công; thiết kế mô hình 3D và mô phỏng lắp ghép trên phần mềm Autodesk Inventor; lập bản vẽ kỹ thuật 2D trên phần mềm AutoCAD.
• Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát thực tế trang thiết bị tại Phòng thí nghiệm Đo lường nâng cao; lập quy trình công nghệ gia công cơ khí các chi tiết đồ gá; tiến hành phay, tiện, khoan ren trên vật liệu nhôm Al-6061; lắp ráp hoàn thiện và thực hiện gá đặt đo thử nghiệm các mẫu sản phẩm thực tế.
• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thông số kỹ thuật từ các dòng máy CMM thương mại (Mitutoyo, Zeiss, Faro, Hexagon), tài liệu kỹ thuật chi tiết nắp lọc gió xe máy Honda, chi tiết tay vặn cốc lọc nước và chi tiết dạng trụ.

Thiết kế và triển khai

Căn cứ vào yêu cầu công nghệ và tính chất cơ học trong môi trường đo CMM, nhóm tác giả lựa chọn vật liệu hợp kim nhôm Al-6061 để gia công toàn bộ các chi tiết đế và cơ cấu định vị nhờ đặc tính nhẹ, độ bền cao, tính dẻo dai tốt, bề mặt gia công đạt độ bóng cao và khả năng chống ăn mòn trong khí quyển.

Đồ án đã thiết kế và triển khai 4 bộ kết cấu đồ gá phục vụ các nhóm chi tiết khác nhau:

Tên bộ đồ gá	Chi tiết thành phần chính	Phương pháp định vị & kẹp chặt	Đối tượng chi tiết đo
Đồ gá đa năng	Đế cố định, tấm đế trượt, trục vít me, tay vặn, ngàm kẹp phẳng, ngàm kẹp góc 120º	Dẫn động trục vít me tịnh tiến hai má kẹp; thay đổi linh hoạt giữa ngàm phẳng và ngàm chữ V	Chi tiết dạng khối hộp chữ nhật, chi tiết dạng trục tròn xoay
Đồ gá chi tiết nắp lọc gió	Đế bàn máy, chân nâng ngắn, chân nâng dài, chốt xoay, chốt tì chỏm cầu xoay, kẹp phụ, chốt kẹp	Định vị mặt đáy bằng các điểm tựa chỏm cầu xoay điều chỉnh chiều cao; kẹp chặt mặt trên bằng mỏ kẹp phụ bắt vít	Chi tiết nắp lọc gió xe máy Honda có biên dạng vỏ mỏng phức tạp
Đồ gá chi tiết trụ dài	Đế bàn máy, chân đỡ V (V-block), chốt tì chỏm cầu, thanh kẹp phụ, tấm kẹp phụ	Định vị bề mặt trụ ngoài trên hai khối V đỡ; kẹp chặt bằng cơ cấu đòn ép từ trên xuống	Chi tiết dạng trục dài, ống tròn đối xứng quay
Đồ gá chi tiết tay vặn lọc nước	Đế bàn máy, chốt xoay, chốt tì chỏm cầu, chốt kẹp, tấm kẹp phụ	Định vị mặt phẳng đáy và các điểm gờ định hình của tay vặn; kẹp giữ bằng cơ cấu kẹp ren	Chi tiết tay vặn cốc lọc nước công nghiệp/dân dụng

Hệ thống mô-đun chuẩn hóa được thiết kế gồm có:

• Tấm đế chính kích thước 250 mm × 250 mm có lưới lỗ ren phân bố đều và tấm đế phụ dạng đĩa tròn đường kính Ø150 mm.
• Mô-đun định vị: Cụm định vị chỏm cầu có ren nối M6 (Ballscrew set), thanh trượt điều chỉnh vị trí (Receiver bracket), chân đỡ nâng hạ độ cao (Location pin), chốt đỡ bậc (Stopper element), chốt đỡ khối V (V-block) và chốt côn định tâm (Cone receiver).
• Mô-đun kẹp và từ tính: Chân đỡ từ tính (Magnetic receiver) kẹp phôi bằng lực hút nam châm và các mỏ kẹp cơ khí tùy chỉnh.

Toàn bộ quy trình chế tạo được thực hiện bằng gia công cắt gọt kim loại trên máy công cụ, xử lý bề mặt và lắp ráp kiểm tra độ đồng tâm, độ vuông góc và độ cứng vững trước khi đưa vào thử nghiệm trên máy CMM.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh ra đời và phát triển của công nghệ đo lường 3D, sự chuyển dịch từ các phương pháp đo thủ công sang đo kiểm tự động trên máy đo tọa độ CMM. Tác giả phân tích tính cấp thiết của việc tự chủ thiết kế đồ gá đo trong nước nhằm giảm giá thành trang bị cho phòng thí nghiệm.

Chương này trình bày chi tiết lịch sử 60 năm phát triển của máy CMM qua 3 thế hệ: thế hệ thứ nhất (1959 - công ty Ferranti ghi tọa độ bằng bàn đạp chân; 1964 - SIP Thụy Sĩ dùng phần mềm tính khoảng cách; đầu thập niên 1970 - Zeiss dùng hệ tọa độ máy tính), thế hệ thứ hai (kỷ nguyên điều khiển số CNC, đo bề mặt cong tự do) và thế hệ thứ ba (tích hợp hệ thống CAD/CAM/FMS, mạch phần cứng mở rộng và chuẩn hóa giao thức dữ liệu từ thập niên 1990).

Tác giả phân loại máy CMM theo kết cấu cơ khí (kiểu cầu, kiểu giàn, kiểu trục ngang, kiểu tay gập), theo hệ thống điều khiển (dẫn động tay Manual, dẫn động động cơ tự động, điều khiển máy tính liên kết CAD/CAM) và theo tính di động (máy cố định phòng Lab, máy di động ARM/Laser Tracker). Đồng thời, chương 1 khảo sát các thương hiệu CMM tiêu biểu: Mitutoyo (Crysta-Apex V với hệ thống bù nhiệt 16-26°C, sai số chiều dài cho phép $E_{0, MPE} = 1,7 + 3L/1000\ \mu\text{m}$; MiSTAR 555 hoạt động ở dải nhiệt 10-40°C với cấu trúc cánh tay ngang mở 3 mặt), FARO (Quantum MAX ScanArm tích hợp công nghệ quang sai liên tục CLR, Gage Max, Vantage Laser Trackers), Zeiss (ACCURA, Vast CMM), DEA, Renault, Hexagon MI, Wenzel và Measuring XYZ.

Nội dung chương 1 cũng tổng hợp các câu lệnh đo hình học cơ bản trên phần mềm CMM như Point, Line, Circle, Elip, Plane, Cylinder, kiểm tra sai lệch hình học (Straightness, Flatness, Roundness, Parallelism, Perpendicularity, Coaxiality, Concentricity, Symmetry, Circular Runout, Plane Runout) cùng các bước chuẩn bị đo (hiệu chuẩn đầu đo bằng quả cầu chuẩn MasterBall, gá đặt chi tiết, xác lập hệ tọa độ máy và thiết lập khối an toàn).

Chương 2: Phần thiết kế và chế tạo đồ gá

Chương 2 tập trung vào cơ sở kỹ thuật của đồ gá đo CMM. Tác giả nêu rõ vai trò của đồ gá đo chiếm 30-40% trong cơ cấu đồ gá công nghiệp, giúp đưa chi tiết về đúng hệ tọa độ không gian của máy, giảm chu kỳ đo và nâng cao năng suất kiểm tra.

Chương này phân tích hai giai đoạn chính của quá trình gá đặt là định vị và kẹp chặt. Tác giả mô tả chi tiết kết cấu chung gồm 4 bộ phận chính: cơ cấu định vị (chốt tì, phiến tì, khối V...), cơ cấu kẹp chặt, đế đồ gá và các chi tiết nối ghép (bulông, đai ốc, chân nâng). Toàn bộ các chi tiết định vị và đế được xác định chế tạo từ hợp kim nhôm Al-6061.

Tác giả khảo sát các hệ thống mô-đun đồ gá thương mại trên thị trường qua các bảng danh mục:

• Bảng cơ cấu mô-đun điều chỉnh (thanh trượt, chốt xoay, khớp cầu).
• Bảng cơ cấu mô-đun kẹp (kẹp ren, kẹp đòn bẩy, kẹp nhún lò xo).
• Bảng cơ cấu mô-đun từ tính (chân đế nam châm vĩnh cửu).
• Bảng phân loại chi tiết tiêu chuẩn hóa: Tấm đế 250x250 mm, tấm đế tròn Ø150 mm, quả cầu định vị ren M6, thanh trượt liên kết, chân đỡ điều chỉnh chiều cao, chốt đỡ bậc, khối V đỡ trục, chốt côn định tâm và thanh đỡ trụ thẳng.

Phần Nội dung triển khai

Phần này trình bày toàn bộ hồ sơ thiết kế cơ khí 3D và 2D cho 4 phương án đồ gá đo:

1. Đồ gá đa năng: Thiết kế chi tiết cơ cấu dẫn động vít me - đai ốc, hệ thống ray trượt dẫn hướng, cụm má kẹp phẳng dùng cho phôi dạng khối hộp chữ nhật và má kẹp vát góc 120º dùng để kẹp định tâm các chi tiết dạng trục tròn. Hồ sơ bản vẽ gồm: bản vẽ chi tiết thanh trượt, nắp kẹp góc 120º, đế cố định, đế đồ gá, trục vít me, tay vặn xoay cùng bản vẽ lắp và bản vẽ phân rã 3D.
2. Đồ gá chi tiết nắp lọc gió: Thiết kế giải pháp định vị cho bề mặt vỏ nhựa phức tạp của nắp lọc gió xe máy Honda. Bản vẽ thiết kế gồm: đế bàn máy, chân nâng ngắn, chân nâng dài, chốt nâng dài, chốt tì chỏm cầu xoay đa hướng, chốt kẹp, tấm kẹp phụ, bản vẽ lắp và bản vẽ tháo rời cụm đồ gá.
3. Đồ gá chi tiết trụ dài: Ứng dụng hai khối đỡ chữ V kết hợp chốt tì chỏm cầu chặn dọc trục và cụm đòn kẹp phụ bắt vít từ trên xuống. Bản vẽ thiết kế gồm: chân đỡ V, chốt tì chỏm cầu, kẹp phụ, tấm kẹp phụ, bản vẽ lắp và bản vẽ phân rã cụm gá đặt chi tiết trụ dài.
4. Đồ gá chi tiết tay vặn lọc nước: Thiết kế cụm định vị dựa trên các điểm tựa chỏm cầu xoay và chốt định vị biên dạng kết hợp mỏ kẹp khóa cứng tay vặn cốc lọc nước. Bản vẽ gồm: đế bàn máy, chốt xoay, chốt tì chỏm cầu xoay, tấm kẹp phụ, chốt kẹp và bản vẽ lắp hoàn chỉnh.
5. Tính toán thiết kế đế đồ gá: Xác định khoảng cách bước lưới ren, kiểm tra độ võng và độ ổn định bề mặt đế khi chịu tải trọng gá đặt.

Phần Chế tạo – Đánh giá

Phần này trình bày quá trình thực nghiệm chế tạo và kiểm nghiệm sản phẩm đồ gá tại xưởng cơ khí:

• Phân loại danh mục các chi tiết tự gia công (đế đồ gá, thân ngàm kẹp, khối V, chân nâng, chốt tì, thanh trượt) và danh mục các chi tiết tiêu chuẩn mua ngoài (bulông, ốc vít M6, lò xo, đai ốc).
• Tiến hành gia công thực tế trên các máy cắt gọt kim loại, kiểm tra kích thước lắp ghép và độ chính xác hình học của các chi tiết đồ gá sau gia công.
• Lắp ráp hoàn chỉnh các bộ đồ gá và tiến hành gá kẹp thử nghiệm 4 mẫu chi tiết: chi tiết dạng hộp, chi tiết dạng trục tròn trên đồ gá đa năng, chi tiết nắp lọc gió Honda và chi tiết tay vặn cốc lọc nước.
• Đánh giá khả năng cố định vững chắc của phôi, không gian tiếp cận thoáng của đầu dò cảm ứng CMM đến các bề mặt cần đo, không xảy ra hiện tượng va chạm giữa đầu kim đo với thân đồ gá.

Chương 5: Kết luận

Chương kết luận tổng kết toàn bộ kết quả của đồ án, khẳng định việc hoàn thành các mục tiêu thiết kế và chế tạo các bộ đồ gá đo CMM đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và chi phí thấp. Tác giả trình bày những kinh nghiệm thực tế thu được trong quá trình thiết kế cơ khí 3D/2D, gia công thực tế, đồng thời đề xuất các hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

• Hoàn thành thiết kế mô hình 3D trên Inventor và hệ thống bản vẽ gia công 2D trên AutoCAD cho 4 bộ đồ gá đo chuyên dụng và đa năng: đồ gá đa năng (kẹp góc 120º và ngàm phẳng), đồ gá nắp lọc gió Honda, đồ gá chi tiết trụ dài và đồ gá tay vặn cốc lọc nước.
• Gia công chế tạo hoàn chỉnh các bộ đồ gá bằng vật liệu hợp kim nhôm Al-6061 với chất lượng bề mặt tốt, độ cứng vững cao và trọng lượng nhẹ, thuận tiện cho việc di chuyển, lắp đặt trên bàn đá granite của máy CMM.
• Tiết kiệm chi phí đầu tư đáng kể so với việc mua sắm các bộ đồ gá CMM nhập khẩu từ các thương hiệu quốc tế.
• Bộ sản phẩm đồ gá sau khi chế tạo đã được lắp đặt, vận hành thử nghiệm thành công tại Phòng thí nghiệm Đo lường nâng cao, phục vụ trực tiếp cho công tác đào tạo và nghiên cứu thực hành của giảng viên và sinh viên Khoa Cơ khí Chế tạo máy.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

• Sản phẩm mới chỉ dừng lại ở phạm vi nghiên cứu chế tạo thử nghiệm trong môi trường học thuật, phục vụ đo kiểm các chi tiết có kích thước nhỏ và vừa.
• Quá trình gá kẹp và điều chỉnh vị trí các chốt tựa vẫn phải thực hiện hoàn toàn thủ công bằng tay, chưa tích hợp các cơ cấu kẹp nhanh tự động bằng khí nén hoặc thủy lực.

Hướng phát triển tiếp theo được đề xuất:

• Tiếp tục nghiên cứu, bổ sung thêm các mô-đun định vị chuyên biệt cho các bề mặt tự do phức tạp hơn trong ngành công nghiệp khuôn mẫu và vỏ ô tô.
• Phát triển các cơ cấu gá kẹp nhanh tự động hóa, hướng tới tích hợp với hệ thống cấp phôi tự động hoặc cánh tay robot đo lường trong mô hình sản xuất linh hoạt FMS.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này có giá trị ứng dụng và tham khảo đối với:

• Sinh viên, học viên các ngành Công nghệ Chế tạo máy, Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử và Đảm bảo chất lượng: Làm tài liệu tham khảo trong các môn học Đồ gá, Công nghệ chế tạo máy, Kỹ thuật đo lường và thực hiện đồ án môn học/đồ án tốt nghiệp.
• Giảng viên và kỹ thuật viên phòng thí nghiệm đo lường: Cung cấp bản vẽ thiết kế chuẩn và quy trình chế tạo các cụm mô-đun gá đặt giá thành thấp phục vụ thực hành trên máy đo tọa độ 3D.
• Kỹ sư QC/QA và cán bộ kỹ thuật tại các nhà xưởng gia công cơ khí: Tham khảo nguyên lý kết cấu đồ gá đo mô-đun để tự gia công các bộ gá CMM chuyên dùng, giúp tối ưu chi phí vận hành đo kiểm.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu chính được lựa chọn để gia công các chi tiết trong bộ đồ gá là gì?
Vật liệu chủ yếu được nhóm tác giả lựa chọn và sử dụng để gia công các chi tiết đế và cơ cấu định vị là hợp kim nhôm Al-6061, nhờ đặc tính nhẹ, độ bền cao, tính dẻo dai tốt, chất lượng bề mặt gia công cao và khả năng chống ăn mòn tốt trong điều kiện khí quyển.

2. Đồ án đã thiết kế và chế tạo đồ gá phục vụ đo kiểm cho những sản phẩm cụ thể nào?
Đồ án đã thiết kế và chế tạo 4 hệ thống đồ gá: bộ đồ gá đa năng (đo chi tiết dạng hộp và chi tiết dạng trục tròn), bộ đồ gá chuyên dùng cho chi tiết nắp lọc gió xe máy của hãng Honda, bộ đồ gá cho chi tiết trụ dài và bộ đồ gá cho chi tiết tay vặn cốc lọc nước.

3. Cơ cấu kẹp của bộ đồ gá đa năng hoạt động như thế nào để kẹp được nhiều dạng chi tiết khác nhau?
Cơ cấu kẹp đa năng sử dụng hệ thống dẫn động trục vít me kết hợp tay vặn để tịnh tiến thanh trượt. Bộ ngàm kẹp có thể hoán đổi linh hoạt giữa ngàm kẹp phẳng (dùng cho chi tiết dạng hộp chữ nhật) và nắp ngàm kẹp vát góc 120º (dùng để định tâm và kẹp giữ các chi tiết dạng trụ tròn).

4. Những phần mềm kỹ thuật nào được ứng dụng trong quá trình thiết kế đồ án?
Đồ án sử dụng phần mềm Autodesk Inventor để dựng mô hình 3D, thiết kế chi tiết và mô phỏng bản vẽ phân rã/bản vẽ lắp; đồng thời sử dụng phần mềm AutoCAD để trình bày toàn bộ các bản vẽ kỹ thuật gia công 2D.

5. Quy trình thiết lập đo kiểm một chi tiết trên máy CMM được đồ án mô tả gồm những bước nào?
Quy trình gồm 4 bước chính: làm sạch chi tiết và khởi động máy CMM/phần mềm; hiệu chuẩn đầu đo bằng cách chạm 5 điểm trên quả cầu chuẩn MasterBall; gá đặt chi tiết lên bàn máy và lấy tọa độ mặt-đường-điểm để xác lập hệ tọa độ phôi; thiết lập khối không gian an toàn (safety box) và tiến hành gọi các lệnh đo hình học trên phần mềm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đồ gá cho máy CMM" của sinh viên Nguyễn Thành Minh và Nguyễn Công Tuấn đã giải quyết thành công bài toán tối ưu hóa chi phí chế tạo đồ gá đo 3D chuyên dụng. Bằng việc kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết đo lường tọa độ, thiết kế mô hình CAD 3D/2D và thực hành gia công cơ khí trên vật liệu nhôm Al-6061, nhóm tác giả đã hoàn thiện 4 bộ đồ gá đo đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật định vị và kẹp chặt. Sản phẩm chế tạo có tính ứng dụng thực tiễn cao, đóng góp trực tiếp vào công tác giảng dạy và thực hành đo kiểm tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Kỹ thuật đo lường đã đi một chặng đường dài, có sự phát triển đặc biệt trong vòng 25 năm qua với sự ra đời của công nghệ đo lường 3D. Ngày nay, đo lường 3D khá phổ biến, không chỉ trong lĩnh vực kiểm tra chất lượng mà còn áp dụng trong cả thiết kế, chế tạo ngược và phim ảnh. Và dần dần công nghệ đo lường 3D sẽ là một phần không thể thiếu của quá trình sản xuất. Đôi khi chúng ta nhìn vào một vật thể có hình dáng vô cùng phức tạp và không biết làm thế nào để thu được tất cả các phép đo hình học của nó.

Việc đo lường này không thể sử dụng các dụng cụ đo bình thường hay được sử dụng. Để làm được điều này, người ta đã sáng chế ra công nghệ đo lường 3D. Bản chất của công nghệ đo lường 3D là điều khiển ánh sáng hoặc bức xạ tại một vật thể và thu thập tất cả các phép đo cần thiết để tái tạo hoặc thiết kế lại vật thể đó một cách nhanh chóng. Cùng một dữ liệu có thể sử dụng để thực hiện kiểm tra chất lượng hoặc phân tích kiểm tra cho một quyết định nhanh: đạt/không đạt trong sản xuất.

Đây là một công nghệ tuyệt vời giúp đánh giá lại chất lượng trong sản xuất và trở thành một công cụ thiết yếu để đạt được và duy trì lợi thế cạnh tranh trong ngành công nghiệp. Nhu cầu đo lường 3D sẽ tỉ lệ thuận với sự phức tạp của hình dạng đồ vật. Khi đồ vật đơn giản, có thể chỉ cần các dụng cụ cầm tay để đo kích thước. Nhưng khi hình dạng trở nên phức tạp hơn, các phương pháp quét tiếp xúc trở thành phương pháp đo lường vượt trội với khả năng đưa ra độ chính xác cao hơn, vượt xa các kỹ thuật đo lường thủ công.

Giải pháp đo lường 3D có thể rút ngắn thời gian đo kiểm từ 1 tuần xuống còn 1 ngày trên mỗi sản phẩm nhiều chi tiết. Một số kích thước không thể kiểm tra bằng phương pháp truyền thống nhưng với các loại máy quét trên không gì là không thể. Không bao lâu nữa, con người có thể không cần phải can thiệp vào quá trình kiểm tra chất lượng, thay vào đó là hệ thống đo lường tự động 3D. Các đội kiểm soát chất lượng có thể sử dụng hệ thống đó mà không cần xuống tận nơi điều khiển máy móc.

Tất cả đều được lập trình và tự động hóa giống, các hành động như được thực hiện bởi một con robot. Hiện nay, một số công ty đã sớm xây dựng bộ phần mềm hiện đại cho phép vận hành với nhiều hệ thống quét 3D khác nhau. Trong tương lai, công nghệ đo lường 3D sẽ trở nên chính xác, nhẹ nhàng và dễ di chuyển hơn. Phần mềm cũng đơn giản và dễ sử dụng hơn, như sử dụng phần mềm trên điện thoại thông minh.

Ngoài ra, công nghệ 1 Đồ án tốt nghiệp Khoa Cơ khí Chế tạo máy định dạng 3D cũng sẽ được đưa vào trong mua sắm trực tuyến để người tiêu dùng có thể nhìn thấy được hình ảnh chân thực nhất của sản phẩm. Đo lường 3D đang đem lại rất nhiều lợi ích và liên tục được cải tiến, thông minh hơn, nhẹ nhàng hơn, nhanh nhạy hơn. Việc lựa chọn các sản phẩm đo lường 3D còn phụ thuộc rất nhiều vào lĩnh vực kinh doanh, hoạt đột của mỗi doanh nghiệp. Hiện nay, các ngành kinh tế nói chung và ngành cơ khí nói riêng đòi hỏi kỹ sư cơ khí và cán bộ kỹ thuật cơ khí được đào tạo phải có kiến thức sâu rộng, đồng thời phải biết vận dụng những kiến thức đó để giải quyết những vấn đề cụ thể thường gặp trong sản xuất, sửa chữa và sử dụng.

Một quá trình sản xuất nghiêm túc là quá trình tạo ra những sản phẩm có chất lượng. Chất lượng sản phẩm thể hiện chất lượng lao động. Chỉ với chất lượng lao động thì mới tạo ra những sản phẩm có chất lượng tốt. Trong lĩnh vực công nghiệp, đo lường cơ khí là lĩnh vực không thể thiếu trong quá trình đào tạo, gắn liền với sản xuất của doanh nghiệp.

Vì để phục vụ duy trì và cải tiến công nghệ, nhằm bảo đảm chất lượng sản phẩm, từ đó nâng cao khả năng cạnh tranh và hiệu quả sản xuất kinh doanh của doanh nghiệp. Đồng thời trong sản xuất, đế nâng cao chất lượng sản phẩm, ngoài việc có tay nghề chuyên môn cao, các kỹ sư phải tìm ra những thông số, dữ liệu đế tối ưu cho quá trình gia công sản phẩm. Phòng thí nghiệm đo lường nâng cao ở trường 2 Đồ án tốt nghiệp Khoa Cơ khí Chế tạo máy Hình 1. Giảng viên hướng dẫn trên máy đo 3D CMM Với sự đa dạng của các đồ gá cho máy đo CMM trên thị trường, nhưng vấn đề về giá thành luôn là một bài toán đối với các doanh nghiệp cũng như các công ty nhỏ lẻ.

Nhóm chúng em quyết định đưa ra các phương án thiết kế tối hơn giá thành sản xuất cho các sản phẩm đồ gá đo CMM. Và đó cũng là lý do mà nhóm chúng em chọn đề tài ‘‘Nghiên cứu thiết kế và chế tạo đồ gá cho máy CMM ’’ 1. Nhiệm vụ • Tổng quan về máy 3D CMM. • Thiết kế và chế tạo đồ gá đo cho máy CMM.

• Đưa ra các phương án và thực hiện một trong số chúng. Mục tiêu • Chế tạo đồ gá đo cho máy CMM với giá thành thấp nhất có thể. Phương pháp nghiên cứu Áp dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết: • Tham khảo thêm ở những tài liệu về đồ gá đo cho máy 3D CMM. 3 Đồ án tốt nghiệp Khoa Cơ khí Chế tạo máy • Tham khảo các bài báo khoa học về tối ưu gia công.

• Sử dụng phần mềm Inventor để thiết kế và mô phỏng. • Sử dụng phần mềm Autocad để trình bày các bản vẽ 2D. Áp dụng phương pháp nghiên cứu thực tiễn: • Tìm hiểu những bộ đồ gá đã có sẵn ở trường. • Xây dựng mô hình - thực nghiệm: Thiết kế và chế tạo bộ đồ gá, gia công sản phẩm.

• Tìm hiểu cách đo chi tiết của một số thiết bị đo lường hiện đại. Phạm vi giới hạn đề tài • Đề tài nằm trong phạm vi nghiên cứu chế tạo thử nghiệm. • Sản phẩm nghiên cứu áp dụng trong phạm vi giảng dạy. • Đồ gá phù hợp để đo kiểm các sản phẩm có kích thước nhỏ.

• Vật liệu chủ yếu chế tạo đồ gá là Al – 6061. 4 Đồ án tốt nghiệp Khoa Cơ khí Chế tạo máy CHƯƠNG 2. Phần thiết kế và chế tạo đồ gá 2. Vài nét sơ lược về đồ gá đo: • Đồ gá là trang bị cần thiết trong quá trình gia công, kiểm tra và lắp ráp cơ khí.

Trong các loại đồ gá được sử dụng thì đồ gá đo chiếm khoảng 30 - 40%. • Đồ gá đo là trang bị nhằm xác định vị trí chính xác giữa chi tiết đo và dụng cụ đo, đồng thời giúp cho chi tiết được giữ vị trí ổn định trong suốt quá trình đo kiểm. • Đồ gá đo tạo điều kiện mở rộng khả năng làm việc của thiết bị đo lường, giảm thời gian gá đặt chi tiết, giảm thời gian đo lường góp phần hạ giá thành sản phẩm, giảm chi phí cho nhân công. • Đồ gá đo là phương tiện hữu dụng và cần thiết phải có cho quá trình đo, kiểm tra trên các thiết bị đo.

Thực tế sản phẩm cần đo rất đa dạng về hình dáng và kích thước. Đại đa số sản phẩm đều không tự gá đặt trên bàn đo của máy theo đúng tọa độ đo lường. Nếu không có đồ gá để đưa sản phẩm về hệ tọa độ đo thì phép đo không thể thực hiện được. Ưu điểm • Đạt độ chính xác cao, kết quả đo tin cậy.

Các thông số hình học, kỹ thuật của đồ gá được xây dựng dựa trên yêu cầu sản phẩm đầu vào và đầu ra. • Có thể gá đặt và tháo lắp sản phẩm trước và sau đo kiểm một cách dễ dàng, nhanh chóng và thay đổi linh hoạt cho từng loại sản phẩm cần kiểm tra (dễ dàng thay đồ gá với đồ gá dùng cho việc kiểm tra model sản phẩm khác nhau). Đồ gá kiểm sẽ giúp giảm đáng kể chu kỳ đo của quá trình kiểm tra, đem lại năng suất cao hơn và tiết kiệm thời gian. • Tự động hóa trong đo kiểm tối ưu và hiện đại.

Bằng sự kết hợp của các thành phần: đồ gá, cụm cấp phôi, cánh tay robot, cụm đầu đo, màn hình hiển thị, vi mạch điều khiển, tính toán và xuất ra giá trị đầu ra, đưa ra kết quả trong thời gian vài giây. Quá trình gá đặt Quá trình gá đặt chi tiết gồm hai giai đoạn: định vị và kẹp chặt chi tiết • Định vị là quá trình xác định vị trí của chi tiết so với máy đo. 5 Đồ án tốt nghiệp Khoa Cơ khí Chế tạo máy • Kẹp chặt là cố định vị trí chi tiết không cho chi tiết rời khỏi vị trí đã xác định trong suốt quá trình đo kiểm. Kết cấu chung của đồ gá Kết cấu chung của đồ gá gồm các phần • Cơ cấu định vị: dùng để định vị vị trí tương đối của chi tiết so với máy đo.

Gồm các chi tiết định vị như là chốt tỳ, chốt đỡ, phiến tỳ, khối v, mũi chống tâm… • Cơ cấu kẹp chặt: giữ cho chi tiết không bị xê dịch trong quá trình đo. • Đế đồ gá: đây là chi tiết gốc để nối liền các bộ phận với nhau thành đồ gá. Đế thường có hình vuông hoặc hình chữ nhật trên đó có các lỗ ren để các chi tiết khác bắt chặt lên nó và để cố định đồ gá trên bàn máp đo. • Các chi tiết nối ghép: là các bulong, đai ốc, các chân nâng, trục dẫn, dùng để kết nối các bộ phận của đồ gá lại với nhau.

Các chi tiết định vị và đế đồ gá được chế tạo bằng vật liệu nhôm 6061 với các đặc tính tiêu biểu như là: • Nhẹ, có tính dẻo dai tốt, có độ bền cao. • Lớp vỏ bề mặt tốt. • Chống ăn mòn tuyệt vời với các điều kiện khí quyển. Các cơ cấu đồ gá có sẵn trên thị trường Bảng 1.

Hình ảnh cơ cấu module điều chỉnh 6 Đồ án tốt nghiệp Khoa Cơ khí Chế tạo máy 7 Đồ án tốt nghiệp Khoa Cơ khí Chế tạo máy 8 Đồ án tốt nghiệp Khoa Cơ khí Chế tạo máy Bảng 2. Hình ảnh cơ cấu module kẹp 9 Đồ án tốt nghiệp Khoa Cơ khí Chế tạo máy Bảng 3.