Nghiên cứu đánh giá độ chính xác tái tạo ngược khi sử dụng trung tâm gia công VMC-85S

ngược 9 1.2. Các phương pháp quét hình phổ biến hiện nay 11 1.2.1. Phương pháp quang học Máy quét laser Máy quét dùng ánh sáng trắng 11 1.2.2. Phương pháp cơ học 16 1.2.3. Máy đo toạ độ 3 chiều CMM 16 1.3. Công nghệ CAD/CAM 21 1.3.1. Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính CAD 22 1.3.2. Sản xuất với trợ giúp của máy tính CAM 24 1.3.3. Phần mềm sử dụng trong luận văn để sử lý dữ liệu quét 27 1.3.3.1. Phần mềm Geomagic studio 27 1.3.3.2. Phần mềm Rapidform XOR 29 1.3.3.3. Phần mềm Catia 30 1.3.3.4. Phần mềm Mastercam 31 Chương 2 HỆ THỐNG CÔNG NGHỆ VÀ THỰC NGHIỆM 2.1. Lựa chọn sản phẩm thực nghiệm tái tạo ngược 36 2.2. Quét hình bề mặt chi tiết 37 2.2.1. Gá đặt chi tiết 37 2.2.2. Khởi động và kiểm tra hệ thống 37 2.2.3. Hiệu chuẩn đầu đo 38 2.2.4. Lập hệ toạ độ của chương trình đo 39 2.2.5. Đo biên dạng bao quanh vật thể 40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 2.3. Xây dựng bề mặt 42 2.3.1. Các bước xây dựng bề mặt 42 2.3.1.1. Xây dựng lưới tam giác từ các đám mây điểm 42 2.3.1.2. Đơn giản hoá lưới tam giác 43 2.3.1.3. Chia nhỏ lưới 44 2.3.2. Các mô hình hình học 44 2.3.2.1. Mô hình hình học 44 2.3.2.2. Mô hình lưới 44 2.3.2.3. Mô hình bề mặt 45 2.3.2.4. Mô hình khối đặc 45 2.4. Chỉnh sửa mẫu từ dữ liệu quét 45 2.5. Thiết kế bề mặt gia công 46 2.6. Thiết kế chương trình gia công NC 48 2.6.1. Lập trình gia công 48 2.6.2. Mô phỏng, kiểm tra và xuất chương trình NC 52 2.7. Truyền chương trình sang máy CNC 58 2.7.1. Các phương thức truyền chương trình sang máy gia công 58 2.7.2. Thiết lập tham số truyền 60 2.8. Điều chỉnh máy để gia công 61 Chương 3 PHÂN TÍCH-ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC TÁI TẠO NGƯỢC 3.1. Sai số về hình dáng hình học và vị trí tương quan 65 3.2. Phân tích và đánh giá độ chính xác gia công về hình dáng hình học và vị trí tương quan 66 3.2.1 Sai số do quét hình 68 3.2.2 Sai số khi tạo lưới tam giác 71 3.2.3 Sai số do đơn giản hoá lưới tam giác 73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 3.2.4 Sai số do chia nhỏ ô lưới 79 3.2.5 Sai số khi hiệu chỉnh bề mặt 79 3.3 Dự báo về độ chính xác tái tạo ngược trên trung tâm gia công VMC-85S 80 Chương 4 KẾT LUẬN 81 Tài liệu tham khảo 82 CÁC TỪ VIẾT TẮT CMM Coordinate Measuring Machine Máy đo toạ độ 3 chiều RE Reverse engineering Kỹ thuật tái tạo ngược Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 Co-or. Sys Coordinate System Hệ toạ độ VMC Vertical machining center Trung tâm gia công đứng CAD Computer Aided Design Thiết kế với trợ giúp của máy tính CAM Computer Aided Manufacturing Sản xuất có trợ giúp của máy tính CNC Computer Numerical Control Điều khiển số bằng máy tính CAP Computer Aided Planning MRP Manufacturing Resource Planning l xu CAPP Computer Aided Process Planning công nghệ CAQ Computers Aided Quality Control PP&C Production Planning and control Lập kế hoạch sản xuất và điều khiển DNC Direct Numerical Control Điều khiển số trực tiếp DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Một số sản phẩm tái tạo ngược Hình 1.2. Máy quét laser Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 Hình 1.3. Measuring System COMET Hình 1.4. Nguyên lý nhận điểm Hình 1.5. Cấu tạo máy CMM Hình 1.6. Các loại đầu dò dùng cho máy CMM Hình 1.7. Máy đo CMM thông dụng kiểu cầu Hình 1.8. Máy CMM kiểu Grantry của B&S Hình 1.9. Máy CMM kiểu Cantiver của Tarrus Hình 1.10 Quy trình chỉnh sửa dữ liệu quét của Geomagic studio Hình 2.1 Càng để chân xe máy Future Neo Hình 2.2. Giao diện phần mềm GEOPAK Hình 2.3. Hiệu chuẩn đầu đo Hình 2.4. Thiết lập các thông số đo Hình 2.5. Dữ liệu quét hình Hình 2.6. Xây dựng lưới tam giác Hình 2.7. Đơn giản hoá lưới tam giác Hình 2.8. Mô hình lưới Hình 2.9. Mô hình bề mặt Hình 2.10. Sản phẩm đã thiết kế hoàn thiện Hình 2.11. Xây dựng bề mặt gia công Hình 2.12. Bề mặt gia công Hình 2.13. Thiết kế chương trình gia công trên Mastercam Hình 2.14 Kích thước cơ bản của sản phẩm Hình 2.15. Khai báo phôi, vật liệu và hệ điều khiển Hình 2.16. Thiết lập các thông số công nghệ Hình 2.17. Các kiểu đường chạy dao thường dùng Hình 2.18. Mô phỏng quá trình gia công Hình 2.19. Giao diện phần mềm DNC Server Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 Hình 2.20. Cài đặt các tham số truyền DNC Hình 2.21. Truyền và nhận chương trình Hình 2.22. Set-up gốc toạ độ Hình 2.23. Bù đường kính dao Hình 2.24. Bù chiều dài dao Hình 2.25. Gia công chi tiết trên trung tâm gia công VMC-85S Hình 3.1 Bề mặt sản phẩm đã gia công Hình 3.2 Các kích thước đo kiểm Hình 3.3 Mặt quét hình song song Hình 3.4 Mặt quét hình tròn xoay Hình 3.5 Mặt quét hình phi tham số Hình 3.6 Dữ liệu biên của mặt cong tam giác Hình 3.7 Mặt cong Gregory tam giác Hình 3.8 Mặt lưới đa thức chuẩn tắc bậc 3 kép Hình 3.9 Mặt lưới Ferguson Hình 3.10 Mặt lưới Bezier bậc 3 kép Hình 3.11 Mặt lưới B-spline đều bậc 3 kép PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ trên tất cả các lĩnh vực thì các sản phẩm cơ khí ngày càng có yêu cầu cao hơn về chất lượng, độ chính xác gia công, mức độ tự động sản xuất và đặc biệt là yêu cầu về kiểu dáng, mẫu mã sản phẩm phải được thay đổi một cách thường Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 xuyên và linh hoạt. Vì vậy nhu cầu về thiết kế phát triển sản phẩm mới hoặc chép mẫu và thiết kế lại từ các sản phẩm đã có, cũng như nhu cầu về sản xuất, chế tạo các bộ khuôn mẫu có độ chính xác và độ phức tạp cao là rất lớn. Thực tế đó đòi hỏi phải phát triển công nghệ mới, trong đó có công nghệ CAD/CAM/CNC và kỹ thuật tái tạo ngược (RE). Vì vậy sau khi nhận được sự định hướng và giúp đỡ tận tình của Thầy PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè tác giả đã chọn và thực hiện đề tài “Nghiên cứu đánh giá độ chính xác tái tạo ngược khi sử dụng trung tâm gia công VMC-85S". Vấn đề này là rất cấp bách, cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn rất cao trong giai đoạn hiện nay. Mục đích nghiên cứu: Mục đích nghiên cứu của đề tài nhằm giải quyết các vấn đề sau: Ứng dụng kỹ thuật tái tạo ngược trên máy đo 3 chiều CMM trong việc thiết kế và gia công khuôn mẫu có độ chính xác cao Nghiên cứu đánh giá độ chính xác tái tạo ngược, nhằm đưa ra dự báo sai số thiết kế tái tạo ngược và sai số gia công trên máy CNC từ đó có biện pháp bù sai số gia công hoặc sai số thiết kế tái tạo ngược. Đối tượng nghiên cứu Máy : Trung tâm gia công VMC-85S, Máy đo 3 chiều CMM- C544 Công nghệ : Kỹ thuật đo 3 chiều CMM và kỹ thuật tái tạo ngược Các phần mềm sử lý dữ liệu đo và thiết kế CAD/CAM Nội dung nghiên cứu Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài tác giả tập trung nghiên cứu vào các vấn đề sau Tổng quan về kỹ thuật tái tạo ngược Hệ thống công nghệ và thực nghiệm Phân tích - Đánh giá độ chính xác tái tạo ngược Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo Phương pháp nghiên cứu Lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, trong đó thực nghiệm giữ vai trò chính. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu đánh giá độ chính xác tái tạo ngược khi sử dụng trung tâm gia công VMC - 85S từ dữ liệu đo trên máy đo 3 chiều CMM, đưa ra được dự báo để khắc phục sai số gia công và sai số tái tạo ngược. Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài mang tính ứng dụng cao, kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ được ứng dụng trực tiếp trong thiết kế, tạo mẫu sản phẩm và chế tạo khuôn mẫu tại Việt Nam Dự kiến kết quả đạt được: Từ nội dung nghiên cứu về kỹ thuật tái tạo ngược trên cơ sở sử dụng các hệ thống thiết bị và công nghệ tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, đề tài dự kiến sẽ đạt được kết quả sau: Ứng dụng được máy đo 3 chiều CMM-C544 và các phần mềm CAD/CAM, trung tâm gia công VMC-85S trong kỹ thuật tái tạo ngược Phân tích và đánh giá được độ chính xác tái tạo ngược từ đó đưa ra được dự báo sai số trong kỹ thuật tái tạo ngược trên máy CMM - C544 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TÁI TẠO NGƯỢC 1.1. Kỹ thuật tái tạo ngược Từ những năm 90 của thế kỷ trước, kỹ thuật tái tạo ngược đã được nghiên cứu áp dụng trong lĩnh vực phát triển sản phẩm, đặc biệt là trong lĩnh vực thiết kế các mô hình 3D từ mô hình cũ đã có nhờ sự trợ giúp của máy tính. Kỹ thuật tái tạo ngược ngày càng phát triển theo sự phát triển của máy quét hình, máy đo 3 chiều và các phần mềm CAD/CAM. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 Trong công nghệ gia công truyền thống, để chế tạo một sản phẩm từ ý tưởng hoặc nhu cầu sản xuất, người ta thiết kế mô hình CAD rồi gia công trên máy công cụ. Tuy nhiên trong thực tế, đôi khi người ta cần chế tạo theo những mẫu có sẵn mà chưa (hoặc không) có mô hình CAD tương ứng như một số loại sản phẩm sau: - Các sản phẩm đồ cổ - Những chi tiết đã ngừng sản xuất từ lâu - Những chi tiết không rõ xuất xứ - Những tác phẩm điêu khắc - Những chi tiết phức tạp - Các bộ phận trong cơ thể con người và động vật dùng trong kỹ thuật cấy ghép. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 Hình 1.1. Một số sản phẩm tái tạo ngược Để tạo được mẫu của những sản phẩm này, trước đây người ta đo rồi vẽ phác hoặc dùng sáp, thạch cao để in mẫu. Các phương pháp này cho độ chính xác không cao, tốn nhiều thời gian và công sức, đặc biệt là những chi tiết có hình dáng hình học phức tạp. Ngày nay người ta đã sử dụng máy đo 3 chiều CMM hoặc máy quét hình để quét hình các chi tiết sau đó nhờ các phần mềm CAD/CAM chuyên dụng để xử lý dữ liệu quét và cuối cùng sẽ tạo được mô hình CAD 3D dưới dạng khối hoặc bề mặt với độ chính xác cao. Mô hình 3D này có thể được chỉnh sửa nếu cần. Ngoài việc chế tạo các chi tiết khác nhau, kỹ thuật tái tạo ngược còn có một số ứng dụng sau đây: - 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 theo yêu cầu. - Mô hình CAD được sử dụng như là mô hình trung gian trong quá trình thiết kế bằng cách tạo sản phẩm thủ công trên đất sét, thạch cao, sáp hoặc cao hơn là tạo hình trên các máy tạo mẫu nhanh…, rồi sau đó quét hình để tạo mô hình CAD, mô hình CAD này có thể chỉnh sửa theo ý muốn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 1.2. Các phương pháp quét hình phổ biến hiện nay. 1.2.1.Phương pháp quang học Phương pháp quang học là phương pháp dùng ánh sáng để quét lên bề mặt vật thể bằng ánh sáng laser hay ánh sáng trắng. Cả 2 loại máy này khi quét đều dùng phương pháp quét không tiếp xúc. Máy quét laser Laser là từ viết tắt của cụm từ tiếng anh Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức. Laser là loại ánh sáng có đặc tính đặc biệt, là loại sóng điện từ nằm trong dãy ánh sáng có thể nhìn thấy được. Bản chất của chùm tia laser là chùm ánh sáng đơn sắc có bước sóng xác định và góc phân kỳ rất nhỏ. Bước sóng phụ thuộc vào vật liệu phát ra tia laser. Không giống như máy CMM thường là hệ máy đặt cố định, ngay cả với máy CMM cầm tay, việc đo đòi hỏi nhiều công sức và không đơn giản; các máy quét laser lại có thể đo các vật từ gần tới xa 35 mét, có thể đạt độ chính xác khoảng 25 micron với khoảng cách 5 mét. Máy laser có thể thu thập dữ liệu về các toạ độ với tốc độ cao và vận hành đơn giản. Đối với các vât thể lớn như xe máy, ô tô … có thể dễ dàng, nhanh chóng đo với máy quét laser. Hình 1.2. Máy quét laser Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 Máy quét laser hoạt động theo nguyên tắc bắn tia laser tới một mục tiêu có tính phản hồi trên vật đo. Tia sáng phản hồi từ mục tiêu sẽ quay trở lại và trở về điểm phát ra tại thiết bị đo. Tức là chùm tia laser từ máy chiếu vào vật thể sẽ phản xạ lại cảm biến thu. Hình dạng của toàn bộ vật thể sẽ được ghi lại bằng cách dịch chuyển hay quay vật thể trong chùm ánh sáng ngang qua vật. Độ chính xác và tốc độ đo của máy quét Laser là điểm khác biệt khi so sánh với các thiết bị đo toạ độ cầm tay khác. Bởi người sử dụng có thể nhanh chóng thực hiện các phép đo với ít nguyên công nhất, nên máy quét laser là một trong những thiết bị đo được sử dụng phổ biến . Các phần mềm quét sẽ phân tích các dữ liệu quét được và thể hiện kết quả dưới nhiều loại định dạng khác nhau. Độ nhạy của thiết bị luôn là nhân tố quan trọng thỏa mãn nhu cầu quét hình 3D bằng laze. Nếu quét bằng laser lên vật thể sống ví dụ như người thì cũng không ảnh hưởng gì đến sức khoẻ hay làm ô nhiễm môi trường. Máy quét dùng ánh sáng trắng Máy đo thông dụng của phương pháp này là máy COMET 250. Bằng phép đo tam giác (triangulation) dùng ánh sáng trắng, hệ thống máy chuyên ứng dụng cho các bộ phận nhỏ, đòi hỏi chính xác cao như các hình điêu khắc bằng tay. Bằng kỹ thuật chiếu dùng ánh sáng giao thoa, COMET tạo ra đám mây dữ liệu chính xác và dày đặc, từ đó tạo điều kiện để tạo ra mô hình 3D của vật thể. COMET số hóa bề mặt hình học theo từng vùng nhỏ. Các vùng dữ liệu tập trung cao được sắp xếp thẳng hàng với nhiều kỹ thuật khác nhau, chính điều này đã làm cho nó trở thành một hệ thống linh hoạt. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 Hình 1.3. Measuring System COMET Chức năng của phần mềm bao gồm xử lý đám mây điểm với tốc độ cao, tạo ra các mẫu đa giác, tái tạo bề mặt, sắp xếp để thiết kế bằng máy tính và cho báo cáo về biểu mầu, nhập dữ liệu cho bất kì hệ thống CAD nào. Hình 1.4. Nguyên lý nhận điểm Việc quét dùng tia laser hay ánh sáng trắng đều dựa trên nguyên lý tam giác. Ở biểu đồ trên, nguồn sáng ở đáy chiếu một điểm nằm trong tầm quan sát của máy quay đặt ở đỉnh. Vì góc và khoảng cách giữa nguồn sáng và máy quay là không đổi và hướng của tia sáng là xác định nên kích thước của bề mặt ánh sáng chiếu đến là có thể tính được.Trong hình trên nếu cửa xe di chuyển gần hơn, máy quay sẽ nhìn thấy điểm được đánh dấu nằm ở thấp hơn và độ dày tính được sẽ lớn hơn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 14 Hệ thống số hóa 3 chiều COMET: Mỗi lần chiếu của COMET 250 có thế tích là 230*180*250 mm và độ chính xác là +/-0.06mm Mỗi lần chiếu đo được 420000 điểm trong 30 giây. Với những vật lớn hay vật có hình dạng phức tạp cần có nhiều lần chiếu để đảm bảo tất cả các bề mặt đều được đo. Không có hạn chế về số lần chiếu cũng như các vùng để đo với mỗi vật và cách sắp xếp 1 cách tổng thể các vùng được số hóa. COMET số hóa các bề mặt hình học theo từng vùng nhỏ, đây là một hệ thống linh hoạt bởi các vùng tập trung dữ liệu cao được sắp xếp theo nhiều kỹ thuật khác nhau. Sau quá trình quét, các vùng được sắp xếp lại 1 cách tổng thể bởi phần mềm COMET để tạo nên 1 dải mây điểm 3 chiều không cố định; kích thước của dải mây này có thể lên đến hàng triệu điểm. Tọa độ của những điểm này được hệ thống tính toán và kết quả thu được là đám mây điểm dày đặc chứa nhiều đường hay mô hình đa giác. Định dạng cung cấp là AC, ASCII, TXT, DXF, VDA, IGES, OBJ và STL. Phần mềm cũng cho phép sắp xếp các đám mây điểm cho các mô hình CAD và các tính toán phục vụ cho báo cáo về biểu màu. Sự khác biệt giữa ánh sáng trắng và laser Xét về tính chất, 2 nguồn sáng này hoàn toàn khác nhau nhưng khi chúng liên quan đến kết quả đo thì sự khác biệt chỉ là rất nhỏ. Theo toán học, cả 2 đều ứng dụng thuật toán dùng phép đo tam giác, vốn đã có cùng đặc điểm về độ chính xác và độ phân giải – chúng đều là các kỹ thuật chiếu dùng ánh sáng. Việc người dùng chọn loại kỹ thuật chiếu nào phụ thuộc vào ứng dụng. Ánh sáng laser được hội tụ vào 1 tia hay một bản để bao phủ một khu vực nhất định mỗi lần và do đó chỉ có thể đo một số điểm nhất định nằm trong dải tia laser đó. Ánh sáng trắng trong hệ thống COMET, có khả năng bao phủ cả một vùng mỗi lần. Mỗi lần quét trong vùng này có thể thu được 420000 điểm dữ liệu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 15 Hơn nữa, bằng việc chiếu các kiểu bóng đã được mã hóa trong các vùng đó, rất nhiều điểm nữa có thể đo được so với các điểm thu được khi dùng tia laser. Điều này cho thấy, hệ thống này quét nhanh hơn nhiều so với đo 3 chiều CMM. Hệ thống laser có thể được tạo ra với chi phí thấp hơn. Tuy nhiên, hệ thống này lại chậm hơn nhiều so với hệ thống dùng ánh sáng trắng. Về độ chính xác: những hệ thống ứng dụng các nguồn sáng trên đã được xây dựng nhưng chưa thấy hệ thống nào nổi trội hơn về độ chính xác. Hệ thống laser dễ bị ảnh hưởng với dữ liệu âm thanh với các bề mặt phản xạ nhưng cũng có những kỹ thuật để khắc phục vấn đề này. Mỗi lần quét chỉ quét một vùng nhỏ khoảng 8 inch2. Nếu vật quét có kích thước lớn hơn 8’’, sẽ có nhiều lần quét hơn. Lần quét sau cần “gối” lên lần quét trước đó để có được một vật hoàn chỉnh. Có nhiều kỹ thuật để quét những vật lớn và mỗi kỹ thuật sẽ cho ra những kết quả khác nhau. Một lần nữa, giải pháp quét tối ưu phụ thuộc vào yêu cầu ứng dụng. Hệ thống quét laser phù hợp với mô hình ô tô cần độ chính xác là 0.1mm và với cánh máy bay Boeing là 0.25 mm. COMET 250 rất thích hợp đối với những bộ phận có dung sai nhỏ như bộ phận trong xe máy và các dụng cụ tạo ra bằng việc phun vật liệu nóng vào khuôn đến những ứng dụng cần ít độ chính xác hơn như đồ chơi bằng nhựa. Sau khi quét hình bằng các phương pháp trên đều cho dữ liệu là đám mây điểm. Đám mây này phải được chuyển sang dạng lưới tam giác để xây dựng mô hình mặt. 1.2.2. Phương pháp cơ học Dùng máy đo dạng tiếp xúc như máy đo toạ độ 3 chiều CMM để đo các thông số hình học hoặc quét hình theo phương pháp toạ độ. Khi quét bằng phương pháp này thì đầu dò của máy tiếp xúc với bề mặt cần đo, mỗi vị trí đo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 16 có toạ độ (x,y,z) và tập hợp các điểm đo sẽ cho một đám mây điểm hoặc dữ liệu là tập hợp các biên dạng. Trong giới hạn của đề tài, tác giả sử dụng phương pháp cơ học và dùng máy đo toạ độ 3 chiều CMM - C544 tại Trung tâm thí nghiệm trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp để nghiên cứu và ứng dụng. 1.2.3. Máy đo toạ độ 3 chiều CMM Máy đo toạ độ là tên gọi chung của các thiết bị vạn năng có thể thực hiện việc đo các thông số hình học theo phương pháp toạ độ. Thông số cần đo được tính từ các toạ độ điểm đo so với gốc toạ độ của máy. Các loại máy này còn được gọi là máy quét hình vì chúng còn được dùng để quét hình dáng của vật thể. Có hai loại máy đo toạ 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). Các máy đo toạ độ CMM hoạt động theo nguyên lý dịch chuyển một đầu dò để xác định tọa độ các điểm trên một bề mặt của vật thể. Máy đo toạ độ thường đo các toạ độ theo phương chuyển vị X, Y, Z. Bàn đo được làm bằng đá granít, đầu đo được gắn trên giá, giá lắp trên thân trượt theo phương Z, khi đầu đo được điều chỉnh đến một điểm đo nào đó thì 3 đầu đọc sẽ cho ta biết 3 toạ độ X,Y,Z tương ứng với độ chính xác cao, có thể lên đến 0,1 micromét. Máy CMM thường thiết kế với 4 phần chính: - Thân máy - Đầu dò - Hệ thống điều khiển hoặc máy tính. - Phần mềm đo. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 17 Hình 1.5. Cấu tạo máy CMM Với hệ thống đầu đo cho máy CMM, người ta có thể sử dụng loại đầu dò tiếp xúc hay đo điểm rời rạc, hệ thống đầu đo laser, hoặc camera. Máy đo CMM đa cảm biến có thể được trang bị nhiều hơn một cảm biến, camera hoặc đầu dò. Hình 1.6. Các loại đầu dò dùng cho máy CMM Máy đo bằng tay có chuyển vị rất êm, nhẹ nhàng nhờ dùng dẫn trượt trên đệm khí nén. Để kết quả đo tin cậy, áp suất khi nén cần phải được bảo đảm như điều kiện kỹ thuật của máy đã ghi nhằm đảm bảo đệm khí đủ áp suất và làm việc ổn định. Các máy của hãng Mitutoyo thường có yêu cầu áp suất Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 khi nén là 0,4 MPa với lưu lượng 40 lít/phút ở trạng thái bình thường. Máy phải được vận hành ở nhiệt độ thấp từ 16 độ C đến 26 độ C. Loại máy được dẫn động bằng tay vận hành đơn giản, nhẹ nhàng nhờ dùng dẫn trượt bi, tuy nhiên loại này có độ chính xác thấp hơn. Máy đo 3D có phạm vi sử dụng lớn. Nó có thể đo kích thước chi tiết, đo profile, đo góc, đo độ sâu... Nó cũng có khả năng đo các thông số phối hợp trên một chi tiết như độ song song, độ vuông góc, độ phẳng. ...Đặc biệt máy có thể cho phép đo các chi tiết có biên dạng phức tạp, các bề mặt không gian như: bề mặt khuôn mẫu, cánh turbine, mui xe ô tô... Để dễ dàng cho việc tính toán kết quả đo, kèm theo máy là phần mềm thiết kế cho từng loại thông số cần đo. Mỗi hãng chế tạo máy CMM đều viết riêng cho các máy của mình những phần mềm khác nhau. Mỗi phần mềm có thể có nhiều môđun riêng biệt ứng dụng cho từng loại thông số. Ví dụ máy CMM của hãng Mitutoyo có các môdun phần mền sau đây: - Geopak : có nhiều cấp độ khác nhau, dùng cho đo lường vật thể 3D, có thể xuất sang file dạng .gws để chuyển đổi dữ liệu đo thành dữ liệu chuỗi điểm cho thiết kế chi tiết bằng phần mềm Pro/Engineer hoặc các phần mềm khác. - Scanpak: dùng để số hoá biên dạng 3D của vật thể, chuyên dùng để quét biên dạng và bề mặt 3D dùng cho tái tạo ngược. - Statpak : chuyên dùng để sử lý số liệu đo. - Gearpak: chuyên dùng cho đo bánh răng, chuyển dữ liệu từ máy CMM sang máy kiểm tra bánh răng. - Tracepak: chương trình quét vật thể 3D cho máy CMM vận hành bằng tay. Máy CMM có nhiều chủng loại khác khác nhau về kích cỡ, thiết kế và công nghệ dò. Máy có thể chỉ có hệ điều khiển bằng tay hoặc có hệ điều khiển Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 19 CNC/PC. Các máy CMM thường được sử dụng để đo kích thước, đo kiểm mẫu, góc, hướng hoặc chiều sâu. Các tính năng chung của máy CMM là có hệ thống bảo vệ chống va đập, khả năng lập trình on-line, tái tạo ngược, phần mềm SPC và bù nhiệt độ. Các thông số cơ bản được quan tâm của máy là các hành trình đo theo trục X,Y,Z; độ phân giải và trọng lượng vật đo. Hình 1.7. Máy đo CMM thông dụng kiểu cầu Về kết cấu, máy CMM gồm nhiều loại : - Tay gấp - Kiểu cầu - Kiểu chìa đỡ - Kiểu giàn hay trục ngang Kiểu tay gấp thường là loại máy nhỏ cầm tay, cho phép đầu dò xoay theo nhiều hướng khác nhau. Máy kiểu cầu là loại có trục đo được lắp thẳng đứng với một dầm ngang đặt trên 2 trụ đỡ. Máy đo kiểu cầu (theo trục X) giúp mở rộng phạm vi đo. Với máy đo kiểu chìa đỡ, trục đo được đỡ bởi một kết cấu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 20 đỡ. Máy kiểu giàn có kết cấu khung treo trên các ụ đỡ để có thể mở rộng pham vi trên các vật được đo. Các máy đo kiểu giàn có cấu trúc tương tự như kiểu cầu. Đối với máy đo kiểu trục ngang, trục lắp đầu dò được đặt nằm ngang, một đầu gắn trên giá đỡ thẳng đứng có thể dịch chuyển được. Máy đo CMM cầm tay “Sigma Series” là loại máy thế hệ mới kết nối không dây và sự dụng năng lượng pin. Sigma series hiện có 9 chủng loại với các khoảng đo 1,8; 2,2; 2,5; 2,8; 3,0; 3,3; 3,6; 4,6 và 5,2 mét. Đây là loại máy có dải đo lớn nhất trên thị trường hiện nay. Hình 1.8. Máy CMM kiểu Grantry của B&S Hình 1.9. Máy CMM kiểu Cantiver của Tarrus 1.3. Công nghệ CAD/CAM CAD/CAM - Thiết kế và gia công với sự trợ giúp của máy tính. Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, CAD/CAM đã được ứng dụng nhanh chóng trong công nghiệp vì nó là công cụ giúp các nhà thiết kế và chế tạo sản phẩm có thể thay đổi mẫu mã hoặc lựa chọn phương án gia công tối ưu một cách nhanh chóng, chính xác và linh hoạt. Đặc biệt trong tái tạo ngược từ sản phẩm đã có thì việc sử lý các dữ liệu từ máy đo và xây dựng lại bản vẽ 3D thì không thể không dùng các phần mềm CAD/CAM. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 21 Khái niệm CAD/CAM dù đã có từ rất lâu nhưng vẫn đang tiếp tục được phát triển và mở rộng. Ban đầu CAD và CAM được sử dụng độc lập để mô tả việc lập trình bộ phận với sự trợ giúp của máy tính và các bản vẽ, đồ họa. Trong những năm gần đây, hai khái niệm này được nối kết với nhau để tạo ra khái niệm thống nhất CAD/CAM, biểu diễn một phương pháp tích hợp máy tính trong toàn bộ quá trình sản xuất bao trùm cả hai khâu thiết kế và sản xuất. Cụ thể trong pha thiết kế bao gồm toàn bộ các hoạt động liên quan đến các dữ liệu kỹ thuật như bản vẽ, các mô hình, các phần tử hữu hạn, bản ghi các chi tiết và kế hoạch, thông tin chương trình NC. Trong khâu sản xuất, các ứng dụng của máy tính bao trùm trong lập kế hoạch quá trình, điều độ sản xuất, NC, CNC, quản lý chất lượng và lắp ráp. 1.3.1. Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính CAD CAD được định nghĩa là một hoạt động thiết kế liên quan đến việc sử dụng máy tính để tạo lập, sửa chữa hoặc trình bày một thiết kế kỹ thuật. CAD có liên hệ chặt chẽ với hệ thống đồ họa máy tính. Các lý do quan trọng có thể kể đến khi sử dụng hệ thống CAD là tăng hiệu quả làm việc cho người thiết kế, tăng chất lượng thiết kế, nâng cao chất lượng trình bày thiết kế và tạo lập cơ sở dữ liệu cho sản xuất. Các bước tiến hành một thiết kế với CAD: Tổng hợp (xây dựng mô hình động học); phân tích tối ưu hóa (phân tích kỹ thuật); trình bày thiết kế (tự động ra bản vẽ). Mô hình hình học Mô hình hình học là dùng CAD để xây dựng biểu diễn toán học dạng hình học của đối tượng. Mô hình này cho phép người dùng CAD biểu diễn hình ảnh đối tượng lên màn hình và thực hiện một số thao tác lên mô hình như: làm biến dạng hình ảnh, phóng to thu nhỏ, lập một mô hình mới trên cơ sở mô hình cũ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 22 Từ đó, người thiết có thể xây dựng một chi tiết mới hoặc thay đổi một chi tiết cũ. Có nhiều dạng mô hình hình học trên CAD. Ngoài mô hình 2D phổ biến, các mô hình 3D có thể được xây dựng cho phép người sử dụng quan sát vật thể từ các hướng khác nhau, phóng to thu nhỏ, thực hiện các phân tích kỹ thuật như sức căng, lý hoá và nhiệt độ. Mô hình lưới Sử dụng các đường thẳng để minh hoạ vật thể. Mô hình này có những hạn chế lớn như không có khả năng phân biệt các nét thấy và nét khuất trong vật thể, không nhận biết được các dạng đường cong, không có khả năng kiểm tra va chạm giữa các chi tiết bộ phận và khó khăn trong việc tính toán các đặc tính vật lý. Mô hình bề mặt Là mô hình được xây dựng từ các điểm, các đường và các bề mặt. Mô hình này có khả năng nhận biết và hiển thị các dạng đường cong phức tạp, có khả năng nhận biết bề mặt và cung cấp mô hình 3D có bề mặt bóng, có khả năng hiển thị rất tốt mô phỏng quỹ đạo chuyển động như chuyển động của dao cắt trong máy công cụ hoặc chuyển động của các rôbốt. Mô hình khối đặc Mô tả hình dạng toàn khối của vật thể một cách rõ ràng và chính xác. Nó có thể mô tả các đường thấy và đường khuất của vật thể. Mô hình này trợ giúp đắc lực trong quá trình lắp ráp các phần tử phức tạp. Ngoài ra, mô hình còn có khả năng tạo mảng màu và độ bóng bề mặt. Hơn nữa, người sử dụng có thể kết hợp với các chương trình phần mềm chuyên dụng khác để biểu diễn mô hình và tạo hình ảnh sống động cho vật thể. Phân tích kỹ thuật mô hình Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 23 Sau khi có được phương án thiết kế, mô hình CAD sẽ trợ giúp biểu diễn các đặc tính của chi tiết thực tế. Hai ví dụ về việc phân tích mô hình là tính toán các đặc tính vật lý và phân tích phần tử hữu hạn. Tính toán các đặc tính vật lý bao gồm việc xác định khối lượng, diện tích bề mặt, thể tích và xác định trọng tâm..... Phương pháp phần tử hữu hạn nhằm tính toán sức căng, độ truyền nhiệt… Đánh giá thiết kế Đánh giá thiết kế bao gồm: Tự động xác định chính xác các kích thước, xác định khả năng tương tác giữa các bộ phận. Điều này đặc biệt quan trọng trong các thiết kế lắp ráp nhằm tránh hai chi tiết cùng chiếm một khoảng không gian, kiểm tra động học. Điều này cần đến khả năng mô phỏng các chuyển động của CAD. Tự động phác thảo bản vẽ Lĩnh vực trợ giúp đắc lực thứ tư của CAD là khả năng tự động cho ra các bản vẽ với độ chính xác cao một cách nhanh chóng. Điều này rất quan trọng trong quá trình thiết kế và tạo lập hồ sơ thiết kế... 1.2.2. Sản xuất với trợ giúp của máy tính CAM Được định nghĩa là việc sử dụng máy tính trong lập kế hoạch, quản lý và điều khiển quá trình sản xuất. Các ứng dụng của CAM được chia làm 2 loại chính: lập kế hoạch sản xuất và điều khiển sản xuất Lập kế hoạch sản xuất + Ước lượng giá thành sản phẩm: Ước lượng giá của một loại sản phẩm mới là khá đơn giản trong nhiều ngành công nghiệp và được hoàn thành bởi chương trình máy tính. Chi phí của từng chi tiết bộ phận được cộng lại và giá của sản phẩm sẽ được xác định. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 24 + Lập kế hoạch sản xuất với sự trợ giúp của máy tính: Các trình tự thực hiện và các trung tâm gia công cần thiết cho sản xuất một sản phẩm được chuẩn bị bởi máy tính. Các hệ thống này sẽ cung cấp các quy trình công nghệ, tìm ra quy trình tối ưu và tiến hành mô phỏng kiểm nghiệm quy trình đã chọn. + Các hệ thống dữ liệu gia công máy tính hóa: Các chương trình máy tính cần được soạn thảo để đưa ra các điều kiện cắt tối ưu cho các loại nguyên vật liệu khác nhau. Các tính toán dựa trên các dữ liệu nhận được từ thực nghiệm hoặc tính toán lý thuyết về tuổi thọ của dao theo điều kiện cắt gọt. + Lập trình với sự trợ giúp của máy tính: Lập trình cho máy công cụ hoặc lập trình NC là công việc khó khăn cho người vận hành và gây ra nhiều lỗi khi các chi tiết trở nên phức tạp. Các phần post processor được sử dụng để thay thế việc lập trình bằng tay. Đối với các chi tiết có hình dạng hình học phức tạp, hệ thống CAM có thể đưa ra chương trình gia công chi tiết nhờ phương pháp tạo ._.