CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ NGƯỢC VÀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH 1. Công nghệ thiết kế ngược 1. Khái niệm Trên phạm vi rộng công nghệ thiết kế ngược được định nghĩa là hoạt động bao gồm các bước phân tích để lấy thông tin về sản phẩm đã có sẵn (bao gồm thông tin về chức năng các bộ phận, đặc điểm về kết cấu hình học, vật liệu, tính công nghệ) sau đó tiến hành khôi phục lại mô hình CAD cho chi tiết hoặc phát triển thành sản phẩm mới, sử dụng CAD/RP/CNC để chế tạo sản phẩm. Công nghệ thiết kế ngược đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như hóa học, điện tử, xây dựng, cơ khí, y học, nghệ thuật.
Ví dụ trong xây dựng, chúng ta luôn học hỏi kỹ thuật thiết kế cũng như thi công của những công trình hoàn thiện (Succeessful building/brige) của thế giới để giảm thiểu những sai sót. Giảm thời gian thiết kế và tăng thêm những ưu việt cho những công trình của mình. Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo, công nghệ thiết kế ngược được định nghĩa là hoạt động tạo ra sản phẩm từ các mẫu sản phẩm cho trước mà không có bản vẽ thiết kế hoặc đã bị mất hay không rõ dàng. Sản phẩm mới được tạo ra trên cơ sở khôi phục nguyên vẹn hoặc phát triển lên từ thực thể ban đầu.
Ưu nhược điểm của công nghệ thiết kế ngược * Ưu điểm. - Kiểm tra chất lượng sản phẩm bằng cách so sánh mô hình CAD với sản phẩm, từ đó điều chỉnh mô hình hoặc các thông số công nghệ để tạo ra sản phẩm đạt yêu cầu. - Mô hình CAD đựơc sử dụng như là mô hình trung gian trong quá trình thiết kế bằng cách tạo sản phẩm bằng tay trên đất sét, thạch cao, sáp…rồi quét hình để tạo mô hình CAD. Từ mô hình CAD này người ta sẽ chỉnh sửa theo ý muốn.
- Giảm bớt thời gian chế tạo dẫn tới năng suất cao. - Chế tạo được nguyên mẫu mà không cần bản thiết kế. * Nhược điểm. 16 - Cần có công nghệ hiện đại là các loại máy quét hình.
- Giá thành cao. Quy trình công nghệ thiết kế ngược Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện đại, quá trình sản xuất sản phẩm ngày càng được chuyên môn hóa, việc chế tạo ra 1 loại sản phẩm được chia tách thành nhiều công đoạn riêng biệt nhưng có quan hệ mật thiết với nhau theo 1 tiêu chuẩn chung thống nhất hợp thành quy trình sản xuất. Tuy có nhiều cải tiến mới song qui trình sản xuất hiện nay nhìn chung đều được biểu hiện bằng 2 sơ đồ Trong quy trình thiết kế thuận, xuất phát từ ý tưởng thiết kế (của người thiết kế hoặc của khách hàng mô tả sản phẩm), người thiết kế phác thảo sơ bộ sản phẩm (bản vẽ CAD). Bản vẽ phác thảo này sẽ được tính toán, phân tích, kiểm tra các thông số kỹ thuật, tính công nghệ (Dữ liệu được chuyển từ CAD sang CAE).
Sau đó mô hình sẽ được tối ưu hóa đưa ra bản vẽ thiết kế (bản vẽ CAD) hoàn chỉnh. Tiếp theo qua các bước chuẩn bị công nghệ (CAPP), lập trình gia công (CAM), mô phỏng và chế tạo thử mẫu sản phẩm bằng phương pháp tạo mẫu nhanh (RP) hoặc trên các máy công cụ, máy CNC. Mẫu sản phẩm chế thử này sẽ được đem đi kiểm tra thực tế xem có thỏa mãn các yêu cầu đặt ra hay không. Nếu không đạt thì sẽ quay về chỉnh sửa lại từ bản vẽ phác thảo.
Tiếp tục quá trình trên cho tới khi mẫu sản phẩm đạt yêu cầu thì mới đưa vào sản xuất thực sự. Còn trong quy trình thiết kế ngược chúng ta làm ngược lại. Xuất phát điểm là 1 mẫu sản phẩm thực tế (Physical part). Mẫu sản phẩm thực này được số hóa và sử lý bằng các thiết bị và phần mềm chuyên dụng để đưa ra mô hình CAD cụ thể.
Sau đó được mô hình CAD cho sản phẩm rồi thì các công đoạn tiếp theo cũng giống như chu trình sản xuất thuận trải qua các bước tính toán, phân tích , tối ưu hóa trên các phần mềm CAE/CAM, chuẩn bị công nghệ (CAPP) gia công tạo mẫu nhanh hoặc lập trình gia công trên máy CNC hay các máy công cụ khác, kiểm tra thực tế cuối cùng mới đưa vào sản cùng mới đưa vào sản xuất đại trà. Quy trình mô hình hóa mẫu sản phẩm đã có sẵn theo công nghệ thiết kế ngược Quá trình mô hình hóa mẫu sản phẩm có sẵn, tạo ra các mô hình CAD cụ thể của vật mẫu là công đoạn quan trọng và là trọng tâm của công nghệ thiết kế ngược. Qui trình mô hình cụ thể được chia làm các giai đoạn sau : 1. Giai đoạn số hóa sản phẩm Để số hóa sản phẩm ta dùng các máy quét hình để quét hình dạng vật thể.
Dựa theo cách thức quét hình người ta phân ra 2 dạng thiết bị quét hình chủ yếu là các máy quét dạng tiếp xúc (như máy đo tọa độ Coordinate Measuring Machine – CMM) và các máy quét không tiếp xúc (máy quét lazer). Các máy CMM sử dụng các đầu đo để tiếp xúc với bề mặt cần đo. Một số vị trí tiếp xúc sẽ cho một điểm có tọa độ (x, y, z). Tập hợp các điểm này sẽ tạo thành các lưới điểm vẽ trên hình dáng vật thể.
Còn các máy quét lazer thì sử dụng chùm tia lazer phát ra từ máy chiếu vào vật thể. Các tia này sẽ phản xạ trở lại cảm biến thu. Máy tập hợp các tia phản xạ này để dựng lên ảnh của vật thể. Hình dạng của toàn bộ vật thể được ghi lại bằng cách dịch chuyển hay quay vật thể trong chùm ánh sáng hoặc quét chùm ánh sáng ngang qua vật thể.
Phương pháp này có độ chính xác kém hơn phương pháp tiếp xúc song nhanh hơn và đầy đủ hơn. Dữ liệu thu được không phải là lưới điểm mà là tập hợp vô vàn các khối ảnh điểm (đám mây điểm). Đám mây điểm này sẽ chuyển sang lưới tam giác dùng để xây dựng các bề mặt. Giai đoạn sử lý số liệu dữ hóa Giai đoạn này bao gồm 4 bước : - Bước 1 : Chỉnh sửa lưới dữ liệu, đám mây điểm.
- Bước 2 : Đơn giản hóa lưới tam giác bằng cách giảm số lượng tam giác và tối ưu hóa vị trí đỉnh và cách kết nối các cạnh của mỗi tam giác trong lưới sao cho các đặc điểm hình học không thay đổi. - Bước 3 : Chia nhỏ lưới và cắt bỏ phần thừa (đã đơn giản hóa) để tạo bề mặt trơn theo ý muốn. Các hình sau dây mô tả công nghệ quét đầu người: 18 Hình 1. 1 Mô hình hóa chi tiết mặt người a.
Dữ liệu sau quét c. Dựng các bề mặt 1. Thiết kế lại trên cơ sở dữ liệu số hóa Trên cơ sở dữ liệu số hóa đã sử lý ta dựng lại mô hình CAD cho sản phẩm dạng Solid hoặc dạng Surface bằng các phần mềm chuyên dụng (Phần mềm thiết kế ngược). Kết quả cuối cùng ta nhận được một bề mặt trơn và được chuyển vào file CAD với các định dạng: IGES, DXF, STL 1.
Tạo mẫu, gia công chi tiết Từ dữ liệu mô hình CAD, có thể áp dụng công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping) đế tạo ra mẫu cho sản phẩm. Cũng có thể tạo mẫu trên máy CNC, khi đó phải lập trình NC nhờ các phần mềm CAD/CAM chuyên nghiệp như Cimatron, Pro/Engineer, GibCAM, để tạo ra các đường chạy dao. Hình dưới đây minh họa quá trình gia công mặt người trên máy phay CNC : Hình 1. 2 Phay mặt người trên máy CNC 1.
Phương pháp và thiết bị số hóa trong công nghệ thiết kế ngược. Sự khác biệt lớn nhất và chủ yếu giữa công nghệ thiết kế thuận và thiết kế ngược chính là công đoạn số hóa sản phẩm. Số hóa sản phẩm tức là lấy dữ liệu 19 hình học của sản phẩm ở dạng dữ liệu thô ban đầu (Raw Geometric Data). Đối với thiết kế thuận đó chính là ý tưởng, phác thảo ý tưởng.
Còn đối với thiết kế ngược thì dữ liệu thô ban đầu được lấy từ 1 sản phẩm có sẵn. Trước đây, để đưa ra mô hình CAD cho chi tiết có sẵn theo công nghệ thiết kế ngược, người ta phải đo dò trực tiếp bằng tay, rồi vẽ lại kết quả đo được. Công việc này đòi hỏi sự tỉ mỉ và tốn rất nhiều thời gian. Ngày nay, nhờ sự trợ giúp của máy tính việc mô hình CAD hóa 1 sản phẩm trở nên cực kỳ đơn giản, chính xác và nhanh chóng.
Việc số hóa bề mặt 3D cho sản phẩm được thực hiện theo 2 phương pháp chủ yếu: Phương pháp đo tiếp xúc(phương pháp cơ học) và Phương pháp đo không tiếp xúc (phương pháp quang học). Phương pháp đo tiếp xúc a. Đây là phương pháp thường dùng 1 đầu đo cơ khí trượt trên bề mặt chi tiết theo lưới định trước và liên tục ghi lại tọa độ nhận được. Công cụ chủ yếu của phương pháp này chính là các máy đo tọa độ 3 chiều (Coordinate Mesuring Machine – CMM) là tên gọi chung của các thiết bị vạn năng có thể thực hiện việc đo các thông số hình theo phương pháp tọa độ.
Có hai máy đo tọa độ thông dụng là máy đo bằng tay (đầu đo được dẫn động bằng tay) và máy đo CNC (đầu đo được điều khiển tự động bằng chương trình số). Ưu nhược điểm của phương pháp đo tiếp xúc. * Ưu điểm: - Do nguyên tắc đo từng điểm trên đối tượng nên độ chính xác cao, hoạt động của máy theo nguyên tắc hành trình nên máy có độ chính xác đến phần vạn (0.5 µm ) - Tính tự động hóa cao: Có thể đo tự động trong cả quá trình đo. - Kết quả đo là các file có nhiều định định dạng tiêu chuẩn như IGS, Step, Stl … thích hợp với các phần mềm thiết kế 3.
- Dễ xử lý kết quả đo: Kết quả đo là tập hợp các đường curve thuận lợi tạo các mặt trên các phần mềm thiết kế 3D. - Đầu đo đa dạng phù hợp với các đối tượng đo. 20 * Nhược điểm : - Hạn chế đo các rãnh hẹp, cạnh sắc, có kích thước nhỏ hơn bán kính đầu đo - Tốc độ đo không cao: Chỉ từ 10 đến 1000 điểm /phút chậm hơn nhiều so với công nghệ scan laser. 3 Máy đo và đầu đo dùng trong phương pháp đo tiếp xúc Để khắc phục, người ta chế tạo đã chế tạo ra các máy đo không tiếp xúc, dùng Lazer tia X, siêu âm, ảnh video.
Phương pháp đo không tiếp xúc a.