Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện nay, việc áp dụng kỹ thuật thiết kế ngược (Reverse Engineering - RE) ngày càng trở nên quan trọng, đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ chế tạo máy. Tại Việt Nam, nhiều doanh nghiệp vẫn sử dụng phương pháp đo vẽ thủ công truyền thống trong quá trình thiết kế và chế tạo dụng cụ, dẫn đến tốn kém thời gian và chi phí do phải thử nghiệm nhiều lần để đạt được biên dạng tối ưu. Đề tài "Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị đo biên dạng theo nguyên tắc số hóa kiểu Robot" được thực hiện nhằm phát triển một thiết bị đo biên dạng cơ điện tử có khả năng số hóa chính xác các chi tiết cơ khí, đặc biệt là các chi tiết trụ và biên dạng 2D phức tạp, phục vụ cho công tác thiết kế ngược và gia công thử nghiệm tại Công ty TNHH MTV Cơ khí hóa chất 13.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế và chế tạo một thiết bị đo biên dạng kiểu robot với cấu hình đơn giản, chi phí hợp lý, có thể tự chế tạo và vận hành bằng tay, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về độ chính xác lặp lại ≤ 0,10 mm và sai số tương đối theo đường kính ≤ 0,10 mm. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế cơ khí, hệ thống điều khiển điện tử, phần mềm xử lý dữ liệu và thử nghiệm thực tế trên các chi tiết có kích thước từ 10x2 mm đến 100x30 mm. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả thiết kế, rút ngắn thời gian gia công thử nghiệm, đồng thời góp phần phát triển công nghệ sản xuất trong nước, giảm sự phụ thuộc vào thiết bị nhập khẩu đắt tiền.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Lý thuyết động học robot: Áp dụng để mô hình hóa chuyển động của tay đo robot, xác định vị trí và hướng của đầu đo trong không gian làm việc dựa trên các biến khớp (biến góc của các khớp quay). Sử dụng ma trận chuyển đổi Denavit-Hartenberg để mô tả các hệ tọa độ liên quan.
  • Phương pháp thiết kế ngược (Reverse Engineering): Quá trình số hóa bề mặt chi tiết thành dữ liệu CAD 3D thông qua đo tọa độ điểm, phục vụ cho việc tái tạo hoặc cải tiến sản phẩm.
  • Phương pháp nội suy và xấp xỉ: Sử dụng trong xử lý dữ liệu đo thô để làm mịn hóa đường cong biên dạng, giảm sai số và tăng độ chính xác của kết quả đo.
  • Kỹ thuật đo lường cơ điện tử gián tiếp: Thiết kế hệ thống đo dựa trên cảm biến encoder gắn tại các khớp quay, giám sát tín hiệu xung để xác định tọa độ điểm đo.

Các khái niệm chính bao gồm: độ phân giải encoder, sai số lặp lại, sai số tương đối theo đường kính, hệ tọa độ robot, và biên dạng 2D.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ quá trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị tại Công ty TNHH MTV Cơ khí hóa chất 13, bao gồm số liệu thực nghiệm đo biên dạng các chi tiết mẫu, thông số kỹ thuật của các linh kiện điện tử và cơ khí.
  • Phương pháp phân tích: Kết hợp phân tích lý thuyết động học robot với mô phỏng số và tính toán trên phần mềm Excel để xác định các thông số kỹ thuật như độ phân giải encoder, phạm vi làm việc, sai số đo. Phương pháp nội suy được áp dụng để xử lý dữ liệu đo thô nhằm làm mịn đường cong biên dạng.
  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài khoảng 2 năm, bao gồm các giai đoạn: khảo sát và phân tích yêu cầu, thiết kế cơ khí và điện tử, chế tạo thiết bị, phát triển phần mềm điều khiển và xử lý dữ liệu, thử nghiệm và đánh giá kết quả thực nghiệm.

Cỡ mẫu thử nghiệm gồm nhiều chi tiết cơ khí có kích thước và hình dạng khác nhau trong phạm vi đo của thiết bị, được lựa chọn theo phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có chủ đích nhằm đảm bảo tính đại diện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế cấu hình tay đo robot hai khớp quay với chiều dài tay đo lần lượt là 180 mm và 160 mm, sử dụng hai encoder có độ phân giải 5.000 xung/vòng, kết hợp bộ khuếch đại tần số PLC với hệ số 4 lần, cho phép đạt độ phân giải góc nhỏ nhất khoảng 0,018 độ.
  2. Phạm vi làm việc của thiết bị được xác định là đo các chi tiết có kích thước tối đa 100 mm chiều dài và 30 mm đường kính, với sai số lặp lại ≤ 0,10 mm và sai số tương đối theo đường kính ≤ 0,10 mm, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của Công ty TNHH MTV Cơ khí hóa chất 13.
  3. Phương pháp tính toán và nội suy dữ liệu đo giúp làm mịn hóa đường cong biên dạng, giảm sai số đo thô, đảm bảo độ chính xác cao trong việc tái tạo biên dạng chi tiết. Kết quả thử nghiệm cho thấy sai số vị trí qua các lần đo lặp lại không vượt quá 0,08 mm, thấp hơn mức yêu cầu đề ra.
  4. Lựa chọn đầu đo dạng trụ thay vì đầu đo cầu truyền thống giúp giảm thiểu sai số do gá đặt chi tiết, đảm bảo đầu đo luôn tiếp xúc chính xác với điểm cao nhất trên bề mặt chi tiết, tăng tính ổn định và độ tin cậy của phép đo.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng lý thuyết động học robot trong thiết kế thiết bị đo biên dạng kiểu PCMM là khả thi và hiệu quả. Độ phân giải encoder và cấu hình tay đo được lựa chọn phù hợp với phạm vi và yêu cầu kỹ thuật, đồng thời đảm bảo chi phí hợp lý và khả năng tự chế tạo tại doanh nghiệp trong nước. So sánh với các nghiên cứu tương tự trong nước, thiết bị này có ưu điểm về tính cơ động, chi phí đầu tư thấp hơn so với các máy đo cầu (bridge) hoặc máy đo PCMM nhập khẩu.

Việc sử dụng phương pháp nội suy và xử lý dữ liệu đo giúp cải thiện đáng kể độ chính xác và độ mịn của biên dạng thu được, điều này rất quan trọng trong ứng dụng thiết kế ngược và gia công thử nghiệm. Các biểu đồ sai số lặp lại và sai số tương đối theo đường kính có thể được trình bày dưới dạng biểu đồ cột để minh họa sự ổn định và độ chính xác của thiết bị qua nhiều lần đo.

Tuy nhiên, thiết bị hiện tại chỉ vận hành bằng tay và chưa trang bị động cơ tự động, điều này giới hạn tốc độ và phạm vi ứng dụng. Việc phát triển thêm hệ thống điều khiển tự động và cảm biến lực sẽ là hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao hiệu quả và tính ứng dụng của thiết bị.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tự động hóa quá trình vận hành thiết bị: Phát triển hệ thống điều khiển động cơ servo và cảm biến lực để tự động hóa chuyển động tay đo, nâng cao tốc độ và độ chính xác phép đo, dự kiến hoàn thành trong vòng 12 tháng, do phòng R&D Công ty TNHH MTV Cơ khí hóa chất 13 thực hiện.
  2. Nâng cấp phần mềm xử lý dữ liệu: Tích hợp các thuật toán nội suy nâng cao và phân tích sai số tự động, giúp người dùng dễ dàng hiệu chỉnh và kiểm soát chất lượng dữ liệu đo, hoàn thiện trong 6 tháng, do nhóm phát triển phần mềm đảm nhiệm.
  3. Mở rộng phạm vi đo và loại chi tiết: Thiết kế thêm các đầu đo đa dạng (đầu đo cầu, đầu đo kim loại cứng) để đo các chi tiết có biên dạng phức tạp hơn, đồng thời phát triển đồ gá linh hoạt, dự kiến trong 18 tháng, phối hợp giữa phòng kỹ thuật và sản xuất.
  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo vận hành và bảo trì thiết bị cho kỹ thuật viên tại các doanh nghiệp cơ khí trong nước, nhằm phổ biến và nâng cao hiệu quả ứng dụng thiết bị, thực hiện liên tục hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các doanh nghiệp cơ khí vừa và nhỏ: Có nhu cầu nâng cao chất lượng thiết kế và gia công thử nghiệm, đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất chi tiết trụ và biên dạng 2D, giúp tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị đo đạc đắt tiền.
  2. Các viện nghiên cứu và trường đại học kỹ thuật: Sử dụng làm tài liệu tham khảo trong nghiên cứu phát triển thiết bị đo lường cơ điện tử, robot công nghiệp và kỹ thuật thiết kế ngược.
  3. Kỹ sư thiết kế và kỹ thuật viên đo lường: Áp dụng kiến thức về động học robot và phương pháp xử lý dữ liệu đo để cải tiến quy trình đo và thiết kế sản phẩm.
  4. Nhà sản xuất thiết bị đo lường trong nước: Tham khảo để phát triển các sản phẩm máy đo PCMM có tính năng phù hợp với nhu cầu thị trường trong nước, giảm sự phụ thuộc vào thiết bị nhập khẩu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thiết bị đo biên dạng kiểu robot có ưu điểm gì so với máy đo CMM truyền thống?
    Thiết bị có cấu hình đơn giản, chi phí thấp, dễ dàng tự chế tạo và vận hành bằng tay, phù hợp với các doanh nghiệp vừa và nhỏ. Nó cũng có tính cơ động cao và khả năng số hóa biên dạng chính xác trong phạm vi đo giới hạn.

  2. Độ chính xác của thiết bị đạt được như thế nào?
    Thiết bị đạt độ chính xác lặp lại ≤ 0,10 mm và sai số tương đối theo đường kính ≤ 0,10 mm, với kết quả thực nghiệm sai số vị trí qua các lần đo không vượt quá 0,08 mm, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của khách hàng.

  3. Phương pháp xử lý dữ liệu đo được áp dụng ra sao?
    Sử dụng phương pháp nội suy và xấp xỉ để làm mịn hóa đường cong biên dạng từ dữ liệu đo thô, giảm sai số và tăng độ chính xác, đồng thời cho phép xuất dữ liệu dưới định dạng số dễ dàng liên kết với phần mềm CAD/CAM.

  4. Thiết bị có thể đo được những loại chi tiết nào?
    Thiết bị phù hợp để đo các chi tiết dạng trụ, trụ có cung cong, trụ có đầu cầu và các biên dạng 2D trơn nằm trong phạm vi kích thước từ 10x2 mm đến 100x30 mm.

  5. Có thể nâng cấp thiết bị để tự động hóa không?
    Có thể. Đề xuất phát triển hệ thống điều khiển động cơ servo và cảm biến lực để tự động hóa quá trình đo, nâng cao tốc độ và độ chính xác, phù hợp với nhu cầu sản xuất công nghiệp hiện đại.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công thiết bị đo biên dạng kiểu robot với cấu hình hai khớp quay, sử dụng encoder độ phân giải cao, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật về độ chính xác và phạm vi đo.
  • Phương pháp xử lý dữ liệu nội suy giúp làm mịn hóa biên dạng đo, nâng cao độ chính xác và tính ổn định của kết quả.
  • Thiết bị có khả năng thay thế phương pháp đo vẽ thủ công truyền thống, góp phần rút ngắn thời gian và giảm chi phí gia công thử nghiệm tại doanh nghiệp.
  • Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển thiết bị đo cơ điện tử tự động hóa, phù hợp với xu hướng công nghiệp 4.0.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm tự động hóa vận hành, nâng cấp phần mềm và mở rộng phạm vi ứng dụng, đồng thời đào tạo chuyển giao công nghệ cho các doanh nghiệp trong nước.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các doanh nghiệp và viện nghiên cứu phối hợp triển khai nâng cấp thiết bị, đồng thời áp dụng rộng rãi trong sản xuất để nâng cao năng lực cạnh tranh và phát triển công nghệ nội địa.