Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, nhu cầu số hóa dữ liệu bề mặt vật thể ngày càng tăng cao nhằm phục vụ cho các quy trình sản xuất ngược (Reverse Engineering - RE) và đo lường chính xác. Theo ước tính, việc ứng dụng các thiết bị số hóa bề mặt giúp giảm thiểu thời gian thiết kế và chi phí sản xuất, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm. Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị số hóa dữ liệu bề mặt vật thể kiểu tay robot, dựa trên nền tảng một thiết bị đo 2D đã có sẵn, nhằm nâng cấp lên hệ thống đo 3D với độ chính xác cao và chi phí hợp lý.

Vấn đề nghiên cứu đặt ra là làm thế nào để phát triển một thiết bị số hóa bề mặt vật thể có khả năng thu thập dữ liệu 3 chiều, đảm bảo độ chính xác kích thước và hình dáng hình học, đồng thời có thể kết nối với các phần mềm CAD/CAM/CNC để phục vụ sản xuất. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là thiết kế hệ thống tay robot đo 3 bậc tự do, bổ sung trục Z cho thiết bị 2D hiện có, chế tạo đầu đo tiêu chuẩn, phát triển phần mềm xử lý dữ liệu và thử nghiệm thiết bị nhằm đánh giá độ chính xác.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế và chế tạo thiết bị tại Việt Nam, với thời gian thực hiện trong năm 2016 tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp số hóa bề mặt vật thể 3D giá thành thấp, phù hợp với các cơ sở sản xuất trong nước chưa có điều kiện đầu tư máy nhập khẩu, đồng thời hỗ trợ công tác giảng dạy và nghiên cứu khoa học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Kỹ thuật sản xuất ngược (Reverse Engineering - RE): Quá trình tái tạo bản vẽ thiết kế từ dữ liệu số hóa bề mặt vật thể, giúp sao chép hoặc chỉnh sửa mẫu thiết kế có sẵn.
  • Máy đo tọa độ (Coordinate Measuring Machines - CMM): Thiết bị cơ điện tử dùng để thu thập tọa độ các điểm trên bề mặt vật thể, gồm nhiều cấu hình như Bridge, WorkShop-Floor, và Arm (tay robot).
  • Động học robot: Mô hình hóa và giải bài toán động học thuận và nghịch cho robot 3 khâu, sử dụng ma trận chuyển đổi Denavit-Hartenberg (DH) để xác định vị trí và hướng của đầu đo trong không gian 3 chiều.
  • Phương pháp nội suy và xấp xỉ đường cong, mặt cong: Bao gồm đa thức Lagrange, đường cong Hermite, Spline bậc 3, Bézier và B-spline, dùng để xây dựng mặt cong từ dữ liệu điểm thu thập.
  • Phương pháp số từ dữ liệu đám mây điểm: Xử lý dữ liệu điểm thu thập bằng cách làm mịn và nối các điểm gần nhau nhất để tạo thành mặt cong mượt mà, không cần nội suy phức tạp.

Các khái niệm chính bao gồm: bậc tự do robot, encoder quay, bộ trượt vít-me bi, đầu đo tiếp xúc, phần mềm xử lý dữ liệu (Matlab, Excel Add-in), và sai số thiết bị.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các điểm tọa độ thu thập từ thiết bị CMM nâng cấp, bao gồm dữ liệu 2D từ thiết bị gốc và dữ liệu 3D sau khi bổ sung trục Z. Cỡ mẫu thực nghiệm gồm nhiều chi tiết cơ khí với kích thước trong không gian làm việc 150x100x100 mm.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Thiết kế động học robot 3 khâu, giải bài toán động học thuận và nghịch bằng phương pháp giải tích và phương pháp số (sử dụng công cụ Solver trong Excel).
  • Xác định sai số các thành phần thiết bị như sai số encoder, khe hở ổ bi, sai số bộ truyền vít-me bi, và sai số đầu đo.
  • Chế tạo đầu đo tiêu chuẩn từ viên bi thép Ø3 mm gắn bằng keo Epoxy chịu nhiệt.
  • Phát triển phần mềm xử lý dữ liệu đo, làm mịn biên dạng và xây dựng mặt cong 3D bằng Matlab và Add-in Excel.
  • Thử nghiệm thiết bị, thu thập dữ liệu, so sánh kết quả đo với dưỡng mẫu chuẩn để đánh giá độ chính xác.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2016, bao gồm các giai đoạn thiết kế, chế tạo, lập trình và thử nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết bị số hóa nâng cấp từ 2D lên 3D thành công: Bổ sung bộ trượt trục Z với hành trình 200 mm, điều khiển bằng mô-tơ bước và PLC Mitsubishi FX1S-30MT-D, giúp mở rộng không gian làm việc lên 150x100x100 mm. Độ phân giải encoder 5000 xung/vòng đảm bảo độ chính xác cao.

  2. Đầu đo tiêu chuẩn chế tạo từ viên bi Ø3 mm: Đảm bảo độ cứng và độ chính xác tiếp xúc, giảm chi phí so với đầu đo nhập khẩu. Keo Epoxy hai thành phần chịu nhiệt đến 300°C giúp kết dính chắc chắn.

  3. Phần mềm xử lý dữ liệu hiệu quả: Thu thập dữ liệu đám mây điểm, xử lý làm mịn biên dạng với 1000 vòng lặp, xây dựng mặt cong 3D bằng phương pháp nối các điểm gần nhau nhất. Kết quả đo kiểm với dưỡng mẫu cho sai số kích thước trong khoảng (4+L/100) μm, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật.

  4. Sai số thiết bị được phân tích chi tiết: Sai số do độ phân giải encoder, khe hở ổ bi, sai số bộ truyền vít-me bi và sai số đầu đo được xác định và kiểm soát trong phạm vi cho phép. Biểu đồ so sánh hiệu quả và sai số vít-me bi cho thấy thiết bị đạt độ chính xác tương đương các sản phẩm nhập khẩu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của thiết bị là do sự kết hợp hài hòa giữa thiết kế cơ khí chính xác, điều khiển điện tử bằng PLC và mô-tơ bước, cùng với phần mềm xử lý dữ liệu chuyên biệt. So với các nghiên cứu trước tại Việt Nam, thiết bị có ưu điểm về chi phí thấp và tính linh hoạt cao, phù hợp với các cơ sở sản xuất nhỏ và vừa.

Kết quả thử nghiệm cho thấy sai số tổng thể của thiết bị nằm trong giới hạn kỹ thuật, có thể trình bày qua biểu đồ sai số từng thành phần và bảng so sánh với tiêu chuẩn quốc tế. Phương pháp số hóa dựa trên đám mây điểm và làm mịn biên dạng giúp thiết bị có khả năng số hóa các bề mặt phức tạp mà không cần nội suy đa thức phức tạp.

So sánh với các thiết bị CMM cấu hình Bridge hay WorkShop-Floor, cấu hình tay robot nhỏ gọn hơn, dễ dàng di chuyển và sử dụng trong nhiều môi trường khác nhau. Tuy nhiên, không gian làm việc hạn chế hơn, phù hợp với các chi tiết kích thước nhỏ và trung bình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường độ chính xác thiết bị: Cải tiến bộ truyền vít-me bi và ổ bi đỡ để giảm sai số cơ khí, nâng cao độ phân giải encoder lên trên 5000 xung/vòng, nhằm cải thiện độ chính xác đo lường trong vòng 12 tháng, do nhóm kỹ thuật cơ khí thực hiện.

  2. Phát triển phần mềm xử lý dữ liệu nâng cao: Tích hợp thuật toán nội suy spline bậc 3 và xấp xỉ Bézier để xử lý dữ liệu đám mây điểm phức tạp, giảm thời gian xử lý và tăng độ mịn mặt cong, hoàn thành trong 6 tháng, do nhóm phần mềm đảm nhiệm.

  3. Mở rộng không gian làm việc: Thiết kế thêm bậc tự do cho tay robot, ví dụ bổ sung khớp quay thứ ba, nhằm tăng khả năng số hóa các chi tiết có hình dạng phức tạp hơn, dự kiến trong 18 tháng, phối hợp giữa nhóm thiết kế cơ khí và điều khiển.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo sử dụng thiết bị cho các cơ sở sản xuất và trường đại học trong vòng 6 tháng, nhằm nâng cao năng lực ứng dụng và phát triển thiết bị, do nhà trường và công ty phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các cơ sở sản xuất nhỏ và vừa: Có nhu cầu số hóa và đo lường bề mặt vật thể 3D nhưng hạn chế về tài chính, có thể áp dụng thiết bị tay robot giá thành thấp để nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Trường đại học và viện nghiên cứu: Sử dụng thiết bị trong giảng dạy kỹ thuật cơ khí, robot và công nghệ đo lường, hỗ trợ nghiên cứu phát triển sản phẩm mới và đào tạo sinh viên.

  3. Các nhà thiết kế và kỹ sư CAD/CAM: Áp dụng dữ liệu số hóa để thiết kế ngược, chỉnh sửa mẫu mã, phục hồi chi tiết không còn bản vẽ, tăng hiệu quả công việc.

  4. Doanh nghiệp sản xuất máy CNC: Tích hợp thiết bị số hóa để kiểm tra và hiệu chỉnh sản phẩm, nâng cao độ chính xác gia công, giảm thiểu sai sót và phế phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thiết bị số hóa tay robot có thể đo được kích thước tối đa bao nhiêu?
    Thiết bị có không gian làm việc hiệu quả khoảng 150x100x100 mm, phù hợp với các chi tiết nhỏ và trung bình. Để đo chi tiết lớn hơn, cần thiết kế thêm bậc tự do hoặc sử dụng thiết bị cấu hình khác.

  2. Độ chính xác của thiết bị đạt được là bao nhiêu?
    Sai số tổng thể đo được nằm trong khoảng (4+L/100) μm, với L là chiều dài kích thước đo, đảm bảo đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cho nhiều ứng dụng sản xuất và nghiên cứu.

  3. Phần mềm xử lý dữ liệu có thể xuất dữ liệu sang định dạng nào?
    Phần mềm xuất dữ liệu sang các định dạng phổ biến như *.part, *.NC, tương thích với các phần mềm CAD/CAM như SolidWorks, Catia, giúp dễ dàng tích hợp vào quy trình sản xuất.

  4. Thiết bị có thể đo các bề mặt phức tạp như thế nào?
    Nhờ phương pháp xử lý dữ liệu đám mây điểm và làm mịn biên dạng, thiết bị có thể số hóa các bề mặt cong tự do, biên dạng lồi lõm mà không cần nội suy đa thức phức tạp.

  5. Chi phí đầu tư thiết bị so với máy nhập khẩu như thế nào?
    Thiết bị được chế tạo trong nước với chi phí thấp hơn nhiều so với máy CMM nhập khẩu, phù hợp với các doanh nghiệp có ngân sách hạn chế nhưng vẫn cần độ chính xác cao.

Kết luận

  • Thiết kế và chế tạo thành công thiết bị số hóa dữ liệu bề mặt vật thể kiểu tay robot nâng cấp từ thiết bị 2D lên 3D, với không gian làm việc 150x100x100 mm.
  • Đầu đo tiêu chuẩn chế tạo từ viên bi thép Ø3 mm và keo Epoxy đảm bảo độ cứng và độ chính xác tiếp xúc.
  • Phần mềm xử lý dữ liệu hiệu quả, xây dựng mặt cong 3D từ đám mây điểm với sai số đo trong giới hạn kỹ thuật.
  • Phân tích sai số chi tiết giúp kiểm soát và nâng cao độ chính xác thiết bị.
  • Đề xuất các giải pháp cải tiến và ứng dụng thiết bị trong sản xuất và đào tạo, góp phần nâng cao năng lực công nghệ trong nước.

Next steps: Tiếp tục hoàn thiện thiết bị, mở rộng không gian làm việc, phát triển phần mềm xử lý dữ liệu nâng cao và triển khai đào tạo chuyển giao công nghệ.

Call-to-action: Các cơ sở sản xuất, viện nghiên cứu và trường đại học quan tâm có thể liên hệ để hợp tác phát triển và ứng dụng thiết bị số hóa tay robot trong thực tế.