CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ SỐ HÓA BỀ MẶT 1. Sản xuất ngược là gì? - Sản xuất ngược là một khái niệm bắt nguồn từ kỹ thuật ngược (Reserve Engineering), là kỹ thuật tái hiện lại một chi tiết hay bộ phận có sẵn không phải qua thiết kế từ đầu mà thông qua một thiết bị số hóa biên dạng bề mặt. Sản xuất ngược ngày nay được ứng dụng rất rộng rãi trên nhiều lĩnh vực, nhiều ngành nghề, đặc biệt là trong công nghệ chế tạo ô tô. Nắm bắt được thị hiếu của người tiêu dùng, nhiều loại xe đã được ra đời một cách nhanh chóng với nhiều kiểu dáng mẫu mã khác nhau.
Mỗi lần thay đổi công nghệ như vậy sẽ rất tốn kém, ảnh hưởng rất lớn đến chi phí trong sản xuất. Dó đó nhà sản sản xuất chỉ việc số hóa một chiếc xe, từ đó chỉnh sửa trên các phần mềm CAD thì có thể cho ra đời một mẫu xe mới. - Các lĩnh vực ứng dụng chính của thiết kế ngược bao gồm: + Thiết kế chế tạo khuôn mẫu (khuôn nhựa, khuôn đúc , .) + Gia công CNC (dữ liệu mô hình CAD đầu vào ) + Thiết kế, sản xuất hàng tiêu dùng (điện thoại, đồ gia dụng ) + Công nghiệp ô tô, hàng không, y tế và giáo dục,. + Sao chép, phục hồi, sản xuất phụ tùng đơn chiếc không còn sản xuất.
+ Ngoài việc phục vụ thiết kế chế tạo, quy trình thiết kế ngược còn được sử dụng để kiểm tra, đánh giá độ chính xác giữa sản phẩm gia công so với nguyên mẫu. + Tạo các mẫu mã mới so với hình dáng ban đầu. - Kỹ thuật ngược có bản chất từ bài toán lấy mẫu chi tiết và vật thể có sự trợ giúp của máy tính. Bài toán đặt ra là làm sau có thể chế tạo chi tiết khác giống hệt chi tiết đã có.
Với các biên dạng phức tạp không thể dùng các dụng cụ đo thông thường để dựng lại bản vẽ chi tiết đó được. Do đó, một ý tưởng đánh dấu số điểm trên bề mặt vật thể và nối các điểm đó lại với nhau sẽ bao trùm lên toàn bộ vật thể. Số điểm càng gần nhau sẽ thể hiện đúng hình dáng hình học của chi tiết nhất, có nhiều phương án để dựng lại bề mặt, đó là sử dụng phương pháp toán học để nội suy các đường cong, mặt cong từ các điểm đánh dấu (mặt cong Bizier, Spline bậc 3, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.) hay tạo ra đám mây điểm (Point Cloud) từ thiết bị điện tử. Trong luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu số hóa bề mặt dựa trên việc tạo ra đám mây điểm.
Phương pháp này cho độ chính xác hình dáng hình học cao vì dựa trên tần suất lấy mẫu nhanh của các cảm biến điện tử. - Sản xuất thuận hay phương pháp sản xuất theo truyền thống là quá trình xuất phát từ yêu cầu công việc, người thiết kế phải nãy ra các ý tưởng và hình dung ra hình dáng hình học của chi tiết đó và bắt tay vào thiết kế, sử dụng các phần mềm CAD để vẽ, chỉnh sửa, mô phỏng động học đến khi hoàn thành việc thiết kế. Giai đoạn tiếp theo là chế thử, nếu sản phẩm thử đạt yêu cầu sẽ được gia công chế tạo, nếu không đạt phải xem lại phần thiết kế. Ý tưởng Thiết kế Tạo mẫu thử No Kiểm tra Nhu cầu Yes Gia công Sản phẩm Sơ đồ 1.
Quá trình sản xuất thuận - Sản xuất ngược xuất phát từ nhu cầu phải chế tạo một vật giống như vật mẫu khi không có bản vẽ thiết kế ban đầu. Một thiết bị điểm hình trong kỹ thuật ngược đó là máy đo tọa độ CMM (Coordinate Measuring Machines), CMM được trang bị cả phần cứng và phần mềm dùng để thu thập tọa độ các điểm trên bề mặt vật thể. Từ dữ liệu điểm đã có, ứng dụng các phần mềm CAD/CAM thông dụng như SolidWorks, Catia, ProEngneer. để dựng và hoàn thiện lại bề mặt.
Bước tiếp theo là gia công chế tạo sản phẩm trên các máy CNC. Số hóa bề Xử lý dữ Gia công Vật mẫu mặt bằng liệu bằng Sản phẩm CNC máy CMM CAD/CAM Sơ đồ 1. Quá trình sản xuất ngược Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 16 - Sản xuất ngược thực chất là quá trình sao chép mẫu. Do tính chất như vậy nên được ứng dựng để giải quyết các bài toán trong kỹ thuật như: + Thiết kế chi tiết dựa vào chi tiết đã có.
+ Lưu lại cơ sở dữ liệu của một chi tiết vừa mới thiết kế. + Phục hồi lại các chi tiết không còn bản vẽ. + Cho ra đời một mẫu mã mới bằng cách chỉnh sửa dữ liệu điểm thu được. - Chính nhờ ưu điểm của phương pháp thiết kế ngược là cho phép thiết kế nhanh và chính xác mẫu thiết kế có độ phức tạp hình học cao, hoặc mẫu dạng bề mặt tự do (không xác định được quy luật tạo hình).
Vì vậy, nó được ứng dụng cao trong nghiên cứu và phát triển sản phẩm (R&D). Đặc biệt trong các lĩnh vực có vòng đời sản phẩm ngắn như hàng tiêu dùng, ô tô, xe máy, bao bì nhựa. Phù hợp với các doanh nghiệp nhỏ sử dụng lợi thế của công nghệ để bắt kịp các doanh nghiệp lớn khác. Thiết bị số hóa và đo lường trong sản xuất ngược Một trong những công đoạn quan trọng mang tính quyết định của quá trình sản xuất ngược là thu thập được dữ liệu tọa độ điểm của chi tiết mẫu.
Để thực hiện được điều đó cần phải sử dụng các thiết bị chuyên dùng, gọi chung thiết bị này là máy đo tọa độ CMM. Hai bộ phận quan trọng cấu thành nên máy CMM đó là các loại đầu đo và thân máy. Độ chính xác của hai bộ phận này quyết định rất nhiều độ chính xác kích thước, do đó trên thế giới đã xuất hiện nhiều công ty chuyên sản xuất các linh kiện riêng rẽ của loại máy này, nhằm tăng khả năng chuyên môn hóa cho thiết bị. Các loại máy CMM Tùy thuộc vào phạm vi hoạt động, ứng dụng đo 2D hay 3D, mức độ phức tạp của bề mặt chi tiết, số bậc tự do của máy mà phân loại CMM thành các dạng khác nhau.
Sau đây ta sẽ xét đến các loại thiết bị có thể dùng cho bài toán tái hiện ngược. Máy công cụ số hóa Đây là loại máy được thiết kế chủ yếu để phục vụ việc gia công. Tuy nhiên trong những mẫu máy mới có trang bị thêm thiết bị để kết hợp làm nhiệm vụ “tái hiện ngược”. Bản chất của nó là máy gia công chi tiết cơ khí với đầu mang dao thông thường có 3 chuyển động tịnh tiến theo 3 chiều của hệ trục tọa độ Đề-các.
Như vậy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 17 nếu ta thay thế đầu dao gia công bằng một đầu dò và đặt chi tiết cần lấy mẫu lên bàn máy thì lúc này ta đã có một máy với công dụng tương đương với máy đo tọa độ 3 chiều. Đầu dò sẽ quét trên bề mặt của vật mẫu và ghi lại tọa độ của các điểm cần đo. Máy quét Laser Đây là loại máy CMM sử dụng đầu đo không tiếp xúc, sử dụng tia laser phát ra để đo khoảng cách từ đầu phát đến vật thể, từ đó máy tính sẽ tính toán và số hóa được dữ liệu bề mặt. Đây là loại thiết bị đo có khả năng thu thập dữ liệu nhanh, tiếp cận tới những vị trí khó khăn, những biên dạng phức tạp.
Máy đo tọa độ CMM Đây là loại thiết bị ứng dụng kỹ thuật cơ điện tử (Mechatronics) để chế tạo. Thông qua đầu đo tiếp xúc trực tiếp đến bề mặt chi tiết, hệ thống các cảm biến (Sensor) sẽ phát hiện sự thay đổi vị trí và đưa tín hiệu về bộ xử lý trung tâm. Bộ xử lý này sẽ tính toán và đưa ra tọa độ X,Y,Z và lưu các dữ liệu điểm này vào máy tính dưới các định dạng đuôi khác nhau như *.part …Sau đó dựa trên các phần mềm CAD/CAM có thể chỉnh sửa và xuất sang file *.NC để gia công trên các máy CNC. Máy CMM có nhiều cấu hình khác nhau, tùy theo mục đích và phạm vi hoạt động.
Các loại thông dụng điển hình như: - Cấu hình Brigde (hình 1.2a) Đây là thiết bị có kết cấu dạng khung cầu, băng máy hoạt động tịnh tiến theo các trục X,Y,Z. Thông thường máy này dùng để đo các biên dạng 2D hạn chế về khả năng đo 3D. Kích thước máy lớn để do các chi tiết lớn do đó phải đặt ở vị trí cố định. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 18 - Cấu hình WorkShop-Floor (hình 1.2b) Đây là thiết bị có kết cấu ứng dựng từ robot song song, sử dụng các phương pháp động học robot song song để tính toán vị trí không gian của đầu đo tiếp xúc với chi tiết.
Loại thiết bị này có kích thước tương đối vừa phải, đo được các biên dạng 3D nhưng không gian đo bị hạn chế bởi kết cấu máy. - Cấu hình Arm (hình 1.2c) Đây là thiết bị đo CMM kiểu tay robot, sử dụng kỹ thuật robot là bài toán động học ngược để xác định vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối. Tùy vào khả năng đo của máy mà số bộ tự do tăng tương ứng, trên mỗi khớp có gắn một encoder để phát hiện sự thay đổi về góc giữa hai khâu. Khi làm việc đầu đo trượt trên bề mặt vật thể làm cho các khớp quay và các encoder sẽ ghi lại trị số góc quay của từng khớp tương ứng.
Sau đó thông qua các chương trình phần mềm sẽ tính toán và đưa ra được tọa độ ứng với vị trí tiếp xúc của đầu đo. Trong phạm vi đề tài chỉ tập trung nghiên cứu và giải mã máy CMM có cấu hình cánh tay robot. a) Cấu hình Brigde b) Cấu hình WorkShop-Floor c) Cấu hình Arm Hình 1. Ví dụ các cấu hình máy đo CMM 1.
Các loại đầu dò Cấu hình máy là một bộ phận quan trọng quyết định sự làm việc của máy. Sự tiếp xúc giữa chỉ tiết và máy quyết định độ chính xác cũng như khả năng đo của thiết bị. Đầu dò điểm tiếp xúc (hình 1.5) Với loại sensor này khi thực hiện thao tác đo, đầu dò sẽ tiếp xúc trực tiếp với bề mặt cần đo. Tiếp điểm của đầu đo và bề mặt là tọa độ cần xác định của phép đo.
Ưu điểm của loại sensor này là độ chính xác cao, giá thành thấp, lực tiếp cận nhỏ. Còn nhược điểm là tốc độ xác định dữ liệu điểm chậm. Đầu quét liên tục Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.