Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại, công nghệ thiết kế ngược đóng vai trò chiến lược giúp rút ngắn hơn 50% thời gian nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới. Tuy nhiên, các hệ thống máy đo tọa độ ba chiều di động nhập khẩu từ nước ngoài thường có giá thành rất cao, dao động từ vài chục nghìn đến hàng trăm nghìn USD, tạo rào cản tài chính lớn đối với hơn 80% doanh nghiệp cơ khí vừa và nhỏ tại Việt Nam. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của đề tài là làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo và thử nghiệm một thiết bị số hóa dữ liệu bề mặt vật thể kiểu tay robot 3D với chi phí tối ưu dựa trên việc nâng cấp hệ thống đo 2D sẵn có.

Mục tiêu cụ thể của luận văn bao gồm: thiết kế bổ sung cơ cấu trượt dẫn động trục Z; chế tạo đầu đo tiếp xúc định hình dạng cầu tiêu chuẩn; thiết lập hệ thống điều khiển ghép nối liên hoàn hai bộ PLC; và xây dựng thuật toán phần mềm tái tạo đám mây điểm thành mô hình bề mặt 3D hoàn chỉnh. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào không gian đo hiệu dụng dài 150 mm, rộng 100 mm và cao 100 mm, được triển khai thử nghiệm thực tế tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên trong năm 2016. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài thể hiện qua việc giảm thiểu chi phí đầu tư thiết bị số hóa xuống khoảng 60% đến 70% so với máy ngoại nhập, đồng thời nâng cao tính chủ động trong đào tạo kỹ thuật cơ điện tử và hỗ trợ các cơ sở sản xuất gia công cơ khí trong nước tái tạo chính xác các chi tiết phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của hai lý thuyết cốt lõi: lý thuyết động học robot nhiều khâu và lý thuyết hình học vi phân về tái tạo đường cong, mặt cong trong không gian CAD/CAM. Về mặt động học, cấu hình cánh tay đo dạng TRR gồm 1 khớp tịnh tiến và 2 khớp quay được mô hình hóa toán học thông qua quy tắc biến đổi ma trận thuần nhất Denavit-Hartenberg kích thước 4x4. Phương trình động học thuận xác định vị trí tọa độ điểm mút đầu đo trong không gian ba chiều Oxyz dựa trên biến khớp chuyển vị trục Z cùng các góc quay của hai khâu cánh tay. Đối với bài toán động học ngược, nghiên cứu ứng dụng phương pháp giải tích với hàm lượng giác hai biến arctan2 kết hợp phương pháp tối ưu hóa số phi tuyến dạng hàm Rosenbrock-Banana thông qua công cụ Solver để triệt tiêu sai số vị trí tiếp xúc.

Về mặt biểu diễn hình học, cơ sở lý thuyết so sánh giữa các phương pháp nội suy giải tích kinh điển như đa thức Lagrange, đường cong Hermite bậc 3, Cubic Spline và các phương pháp xấp xỉ tham số Bézier, B-spline đã khẳng định tính ưu việt của phương pháp số trực tiếp từ đám mây điểm. Hệ thống khái niệm chính của luận văn bao gồm: đám mây điểm, chuỗi động học hở, phép biến đổi tọa độ thuần nhất, số hóa tiếp xúc cơ học và tích hợp chu trình thiết kế sản xuất ngược RE-CAD-CAM-CNC.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp từ 2 cảm biến mã hóa góc quay quang học rotary encoder có độ phân giải cao 5000 xung/vòng gắn tại các khớp quay của tay máy, kết hợp cùng tín hiệu xung điều khiển từ bộ phát xung bước trục Z với bước dịch chuyển tối thiểu 0,02 mm. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm tập hợp hơn 10.000 điểm tọa độ phân bố trên các đường sinh dọc và ngang của các chi tiết mẫu hình học phức tạp cùng hệ thống dưỡng kiểm chuẩn.

Phương pháp chọn mẫu là đo quét tiếp xúc liên tục theo từng lớp mặt cắt cao độ dọc trục Z, đảm bảo mật độ điểm đo dày đặc trên toàn bộ bề mặt vật thể cần số hóa. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích kết hợp giữa giải tích toán học, lập trình điều khiển PLC và thuật toán số trên môi trường MATLAB/Excel là nhằm tối ưu hóa tốc độ xử lý dữ liệu lớn, loại bỏ hoàn toàn sai số tích lũy do dịch chuyển vi phân và nâng cao tính tự động hóa khi xuất file mô hình. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, chế tạo phần cứng, lập trình phần mềm và kiểm nghiệm sai số được triển khai chặt chẽ theo dòng thời gian kéo dài 12 tháng tại phòng thí nghiệm cơ điện tử.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã chế tạo thành công phần cứng máy đo tọa độ ba chiều kiểu tay robot với không gian làm việc hiệu dụng đạt kích thước 150 mm x 100 mm x 100 mm. Cơ cấu bổ sung trục Z sử dụng trục vít-me bi đường kính Ø12 mm, bước vít 4 mm, hành trình 200 mm, truyền động bằng động cơ bước 12VDC góc bước 1,8 độ thông qua mô-đun điều khiển bước TB6560-3A, đảm bảo độ dịch chuyển dọc trục mượt mà và ổn định.

Thứ hai, hệ thống điều khiển ghép nối liên hoàn giữa hai PLC mang lại hiệu quả vượt bậc. Trong đó, PLC Omron SYSMAC CP1L-M40 với 40 cổng vào ra, thời gian thực hiện lệnh cơ bản 0,55 micro giây đảm nhận việc đọc dữ liệu xung tốc độ cao từ 2 encoder 5000 xung/vòng qua giao tiếp RS232; đồng thời PLC Mitsubishi FX1S-30MT-D với 14 ngõ ra transistor thực hiện chức năng băm xung tần số cao để điều khiển chính xác vị trí trục Z.

Thứ ba, sáng kiến chế tạo đầu đo tiếp xúc dạng bi cầu từ viên bi thép tiêu chuẩn ổ lăn NSK đường kính Ø3 mm liên kết với thân đầu đo tiện côn bằng keo Epoxy hai thành phần chịu nhiệt tới 300 độ C đã giải quyết triệt để hạn chế của đầu đo phẳng Ø6 mm cũ, cho phép tiếp cận chính xác các biên dạng cong lồi lõm có bán kính nhỏ hơn 3 mm.

Thứ tư, phần mềm tự phát triển bao gồm Add-in Excel "Chen Toa Do Z" và ứng dụng "Sohoa3d_Matlab" đã xử lý dữ liệu đám mây điểm qua 1000 vòng lặp làm mịn trung điểm, giúp triệt tiêu hoàn toàn nhiễu đo và tái tạo độ mịn biên dạng đạt trên 95% so với mô hình CAD lý thuyết.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tạo nên độ chính xác của hệ thống bắt nguồn từ việc kết hợp hài hòa giữa độ phân giải cực nhỏ của encoder quang học và độ chính xác chuyển động của bộ truyền vít-me bi. Dữ liệu thử nghiệm đối chứng với dưỡng mẫu cơ khí có thể được trực quan hóa thông qua bảng thống kê sai số tọa độ ba trục và biểu đồ phân bố độ lệch hình học theo các lát cắt đường sinh. Khi so sánh với các hệ thống đo CMM kiểu cầu cố định của Viện Nghiên cứu Narim có độ chính xác công bố là (4+L/100) micromet ở điều kiện chuẩn 20 độ C, thiết bị tay robot trong đề tài tuy có sai số tuyệt đối lớn hơn đôi chút do ảnh hưởng của khe hở ổ bi và độ võng cơ học các khâu, nhưng lại vượt trội hoàn toàn về tính cơ động, kích thước nhỏ gọn và mức chi phí chế tạo tiết kiệm hơn 65%. Điều này chứng minh tính khả thi cao của giải pháp thiết kế ngược nội địa phục vụ trực tiếp cho quy trình sản xuất CAD/CAM/CNC.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, nâng cấp số bậc tự do của hệ thống tay máy từ 3 bậc tự do lên 5 hoặc 6 bậc tự do; hướng tới mục tiêu mở rộng không gian đo quét lên kích thước tối thiểu 500 mm x 500 mm x 500 mm trong thời gian 12 đến 18 tháng tới, do nhóm nghiên cứu cơ điện tử trường đại học chủ trì thực hiện.

Thứ hai, nghiên cứu tích hợp song song đầu quét quang học laser không tiếp xúc bên cạnh đầu đo bi cầu cơ học Ø3 mm; hướng tới mục tiêu tăng tốc độ lấy mẫu dữ liệu lên hơn 10.000 điểm mỗi giây, rút ngắn 80% thời gian đo quét các chi tiết mềm hoặc bề mặt mỏng, dự kiến hoàn thành trong vòng 6 tháng bởi các kỹ sư tự động hóa.

Thứ ba, tái cấu trúc phần mềm xử lý dữ liệu và thuật toán làm mịn từ môi trường trung gian Excel/MATLAB sang nền tảng phần mềm độc lập viết bằng C++ hoặc C# tích hợp giao diện người dùng trực quan; mục tiêu là giảm thời gian tính toán và xuất file đám mây điểm 3D xuống dưới 2 giây, do đội ngũ lập trình ứng dụng triển khai trong 9 tháng.

Thứ tư, thiết lập quy trình kiểm chuẩn và bù sai số động học định kỳ theo tiêu chuẩn đo lường quốc tế ISO 10360-2; nhằm mục tiêu kiểm soát sai số tích lũy của thiết bị luôn dưới ngưỡng 0,05 mm, áp dụng trực tiếp tại các xưởng thực nghiệm cơ khí trong thời hạn 3 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế và phát triển sản phẩm trong ngành công nghiệp ô tô, xe máy và khuôn mẫu: Áp dụng toàn bộ quy trình thiết kế ngược để đo quét, số hóa và phục chế các chi tiết dạng bề mặt tự do không còn bản vẽ thiết kế gốc trong không gian 150 mm x 100 mm x 100 mm.
  2. Quản lý sản xuất và chủ doanh nghiệp cơ khí chế tạo vừa và nhỏ: Tham khảo mô hình đầu tư, chế tạo thiết bị đo CMM nội địa giá rẻ nhằm cắt giảm tới 60% chi phí mua sắm thiết bị ngoại nhập và làm chủ công nghệ gia công CNC.
  3. Giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử: Sử dụng làm học liệu tham khảo chuyên sâu về phương pháp thiết lập động học robot Denavit-Hartenberg, tối ưu hóa phi tuyến Solver và kỹ thuật ghép nối liên lạc đa PLC.
  4. Kỹ thuật viên kiểm tra chất lượng và vận hành gia công cơ khí chính xác: Áp dụng phương pháp xử lý đám mây điểm và công cụ ScanTo3D để so sánh sai lệch kích thước hình học giữa sản phẩm thực tế và mô hình thiết kế ban đầu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thiết bị số hóa kiểu tay robot trong luận văn có ưu điểm gì vượt trội so với máy CMM kiểu cầu truyền thống? Thiết bị kiểu tay robot có kết cấu nhỏ gọn, tính linh hoạt cao, dễ dàng di chuyển và bố trí linh động tại hiện trường sản xuất với không gian làm việc 150 mm x 100 mm x 100 mm. Đặc biệt, chi phí chế tạo nội địa thấp hơn từ 60% đến 70% so với hệ thống đo CMM kiểu cầu nhập khẩu.

  2. Tại sao nghiên cứu phải sử dụng kết hợp đồng thời hai bộ điều khiển PLC Omron CP1L và Mitsubishi FX1S? PLC Omron CP1L-M40 với ngõ ra Relay thu thập tín hiệu encoder 5000 xung/vòng ổn định nhưng không có khả năng phát xung tốc độ cao. Do đó, PLC Mitsubishi FX1S-30MT-D với ngõ ra Transistor được tích hợp bổ sung nhằm chuyên trách việc băm xung điều khiển động cơ bước trục Z với độ phân giải bước 1,8 độ chính xác.

  3. Đầu đo tiếp xúc tự chế từ bi cầu thép Ø3 mm có đảm bảo độ chính xác và độ bền kỹ thuật không? Đầu đo được chế tạo từ viên bi thép tiêu chuẩn của ổ bi NSK đường kính Ø3 mm có độ cứng bề mặt và độ tròn cực cao, được gắn vào thân côn định tâm bằng keo Epoxy hai thành phần chịu nhiệt đến 300 độ C, đảm bảo khả năng chịu va đập cơ học và chống mài mòn xuất sắc trong quá trình đo tiếp xúc.

  4. Thuật toán làm mịn dữ liệu đám mây điểm hoạt động như thế nào để đảm bảo chất lượng bề mặt 3D? Thuật toán số thực hiện lặp 1000 chu kỳ tính toán nối các trung điểm của hai phân đoạn thẳng liền kề có chung một điểm trên đường sinh. Phương pháp này giúp làm mịn và khử nhiễu bề mặt đạt độ chính xác trên 95% mà không gây ra dao động biên dạng như các phép nội suy đa thức bậc cao Lagrange.

  5. Dữ liệu tọa độ sau khi đo được chuyển đổi và ứng dụng vào chu trình CAD/CAM/CNC như thế nào? Dữ liệu đo được chèn tọa độ Z qua Add-in Excel, làm mịn trong MATLAB rồi xuất thành tệp dữ liệu đám mây điểm. Tệp này được nhập vào mô-đun ScanTo3D của SolidWorks để trải lưới, dựng mặt cong 3D, từ đó xuất mã lệnh G-code để gia công trực tiếp trên máy phay CNC.

Kết luận

  • Nâng cấp thành công thiết bị đo 2D thành hệ thống số hóa bề mặt 3D kiểu tay robot cấu hình TRR với không gian làm việc hiệu dụng 150 mm x 100 mm x 100 mm.
  • Xây dựng hoàn chỉnh mô hình động học Denavit-Hartenberg và giải thuật ngược bằng phương pháp số Solver kết hợp 2 cảm biến quang học 5000 xung/vòng cho độ phân giải góc đo tin cậy.
  • Chế tạo sáng tạo cụm trục Z vít-me bi Ø12 mm bước 4 mm hành trình 200 mm và đầu đo bi cầu NSK Ø3 mm liên kết keo Epoxy chịu nhiệt 300 độ C với giá thành tối ưu.
  • Thiết lập chuỗi phần mềm xử lý dữ liệu khép kín từ PLC, Add-in Excel, MATLAB SoHoa3D đến SolidWorks ScanTo3D và kết nối máy công cụ CNC.
  • Tạo ra giải pháp công nghệ số hóa nội địa hóa giúp giảm hơn 60% chi phí đầu tư cho doanh nghiệp cơ khí trong nước.

Kế hoạch phát triển tiếp theo trong vòng 12 tháng tới tập trung vào việc mở rộng bậc tự do của cánh tay máy lên 5 hoặc 6 bậc và tích hợp thêm đầu quét laser quang học đa chiều. Các cơ sở đào tạo kỹ thuật và doanh nghiệp sản xuất cơ khí nên chủ động ứng dụng giải pháp thiết kế ngược cơ điện tử này để nâng cao năng lực cạnh tranh và tối ưu hóa chu trình phát triển sản phẩm mới.