thiet kế scan 3d laser

BỘ LAO
TRƯỜNG
------------

BÁO CÁO TỔNG KẾT
Tên đề tài:
Mã số:
Chủ nhiệm đề tài:
Thời gian thực hiện:


DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA


MỤC LỤC
A. PHẦN MỞ ĐẦU.................................................................................................1
1. Lí do chọn đề tài..................................................................................................1
2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài..............................................1
2.1. Ý nghĩa khoa học............................................................................................1
2.2. Ý nghĩa thực tiễn............................................................................................1
3. Mục tiêu nghiên cứu............................................................................................1
4. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................1
5.Tóm tắt tiến trình thực hiện đề tài......................................................................2
B. NỘI DUNG..........................................................................................................3
Chương 1: Tổng quan về công nghệ thiết kế ngược..............................................3
1.1. Giới thiệu về công nghệ thiết kế ngược..........................................................3
1.2. Thiết kế ngược bằng phương pháp quang học................................................6
1.3. Thiết bị thiết kế ngược....................................................................................6
1.4. Phần miềm quản lý dữ liệu quét Geomagic....................................................7
1.5. Thiết kế ngược bằng creo freestye..................................................................9
Chương 2: Thiết kế chế tạo máy scan 3D laser....................................................11

2.1. Xây dựng sơ đồ nguyên lý hoạt động............................................................11
2.2. Thiết kế lắp ghép mơ hình............................................................................19
Chương 3: Thử nghiệm mơ hình máy scan 3D laser............................................26
3.1. Khởi động và hiệu chỉnh mơ hình.................................................................26
3.2. Thử nghiệm máy quét với các vật mẫu.........................................................29
Chương 4: Kết luận kiến nghị..............................................................................32
4.1 Kết luận.........................................................................................................32
4.2 Kiến nghị.......................................................................................................32
Tài liệu tham khảo.................................................................................................33
PHỤ LỤC............................................................................................................... 35


DANH MỤC CÁC HÌNH
Ký hiệu

Tên hình

Trang

Hình 1.1

Qui trình lấy mẫu áp dụng cơng nghệ thiết kế ngược

5

Hình 1.2

Mơ hình máy quét 3D

7

Hình 1.3

Qui trình chỉnh sửa dữ liệu quét trong Geomagic

8

Hình 2.1

Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy quét thu hình vật thể 3D

11

Hình 2.2

Arduino Uno và Mega2560

12

Hình 2.3

Sơ đồ nguyên lý mạch Arduino

13

Hình 2.4

ATmega 2560 và sơ đồ chân kết nối

14

Hình 2.5

Module điều khiển động cơ bước

15

Hình 2.6

Sơ đồ ngun lý và hình ảnh của board điều khiển cơng suất

16

Hình 2.7

Cấu tạo và Sơ đồ chân của động cơ bước NEMA17

17

Hình 2.8

Bản vẽ thiết kế 2D hộp đựng mạch điều khiển

19

Hình 2.9

Mơ hình hóa 3D chi tiết hộp đựng mạch điều khiển

19

Hình 2.10

Bản vẽ thiết kế 2D tay biên

20

Hình 2.11

Mơ hình hóa 3D chi tiết tay biên

20

Hình 2.12

Bản vẽ thiết kế 2D hộp chứa camera

21

Hình 2.13

Mơ hình hóa 3D chi tiết hộp chứa camera

21

Hình 2.14

Bản vẽ thiết kế chi tiết đế chứa động cơ Bước

22

Hình 2.15

Mơ hình thiết kế 3D chi tiết đế chứa động cơ bước

22

Hình 2.16

Bản vẽ 2D chi tiết tấm đế quay

23

Hình 2.17

Mơ hình 3D chi tiết bàn xoay

23

Hình 2.18

Lắp ghép các chi tiết trong mơi trường lắp ghép

24

Hình 2.19

Lắp ghép các chi tiết hồn chỉnh trong mơi trường lắp ghép

24

Hình 2.20

Bản vẽ tổng thể mơ hình máy scan 3D

25

Hình 3.1

Khởi động và kết nối phần mềm Horus

26

Hình 3.2

Cài đặt phổ màu cho camera tương thích với độ sáng

26

Hình 3.3

Điều chỉnh Lazer của máy quét thu hình

26

Hình 3.4

Cài đặt calib các góc qt camera

27

Hình 3.5

Cài đặt calib góc qt Lazer

27

Hình 3.6

Calib vùng qt camera logic

27

Hình 3.7

Vật mẫu được scanning

28


Hình 3.8

Vật mẫu được lưu dưới dạng file.ply

28

Hình 3.9

Mơ hình thiết kế hồn thiện sau khi qt thu hình

29

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
3D: 3 DIMENSION
CNC: COMPUTER NUMERICAL CONTROL
CAD: COMPUTER AIDED DESIGN
CAM: COMPUTER AIDED MANUFACTURING


FE: FORWARD ENINEERING
RE: REVERSE ENGINEERING


1. Thông tin chung:
2. Mục tiêu:
Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Scan 3D Laser để phục vụ công tác giảng dạy
và tạo điều kiện nghiên cứu học tập cho sinh viên trong lĩnh vực thiết kế ngược tạo
mẫu nhanh.
3. Tính mới và sáng tạo:
Do thực tế ở trường có một máy scan 3D như giá trị rất cao và hiện tại số lượng
sinh viên học thực hành càng đông, nên nhu cầu sử dụng và nghiên cứu cũng tăng
theo nên tôi quyết định nghiên cứu chế tạo ra thêm một máy scan 3d, để phục vụ
công tác giảng dạy nghiên cứu với giá thành sẽ tiết kiệm hơn nhiều so với các máy
trên thị trường.
4. Kết quả nghiên cứu:
Thiết kế chế tạo khung cho máy quét laser, nghiên cứu lý thuyết điều khiển và
ứng dụng điều khiển cho máy quét hoạt động, nghiên cứu xử lý mẫu quét thông qua
thiết kế ngược tạo mẫu nhanh.
5. Sản phẩm:
- Quyển thuyết minh đề tài có kết quả nghiên cứu đầy đủ đúng yêu cầu.

- Máy scan 3d Lazer hoàn chỉnh
- Một bài báo khoa học đăng trên thông tin khoa học
6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp
dụng:


A. PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Trong thực tế, các đối tượng vật lý tồn tại dưới dạng vật thể 3 chiều (còn gọi
là vật thể 3D, 3 dimensions). Vật thể 3D đơn giản được giảng dạy trong mơn học
Hình học khơng gian, Hình học giải tích, các phần mềm vẽ kỹ thuật và có thể mơ
phỏng trong Lập trình Pascal. Làm sao lưu giữ vật thể 3D, đặc biệt là vật thể 3D có
kết cấu và bề mặt tạo hình phức tạp dưới dạng file hình ảnh mà có thể xử lý và sử
dụng bằng các phần mềm máy tính khác nhau, thậm chí có thể in, chế tạo chúng dễ
dàng? Để trả lời câu hỏi này trong quá trình nghiên cứu tác giả đã nảy ra ý tưởng
“Thiết kế chế tạo máy scan 3D laser”.
2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
2.1. Ý nghĩa khoa học
- Sử dụng công nghệ Thiết kế ngược tạo mẫu nhanh trên nền tảng dữ liệu đám
mây điểm.
- Bước đầu ứng dụng các phần mềm thiết kế 3D vận dụng vào hỗ trợ trực quan
cho các môn học.
2.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Nhận dạng và thu hình được vật mẫu được thu hình.
- Hiểu biết thêm về lĩnh vực xử lý ảnh, đặc biệt biết thêm thiết lập điều khiển
các động cơ và lập trình điều khiển.
- Góp phần xây dựng và ứng dụng cơng nghệ thông tin vào giảng dạy.
3. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế ngược tạo mẫu nhanh, nghiên cứu các phần
mềm thiết kế 3D sẽ ứng dụng hỗ trợ quét hình và chỉnh sửa bề mặt thiết kế theo ý

tưởng của người học.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phối hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm

1


Với phương pháp nghiên cứu lý thuyết, tác giả nghiên cứu về thuật tốn thiết
kế ngược mơ hình vật thể 3D, thiết kế vật thể và chỉnh sửa theo mong muốn.
Lập trình giao tiếp và điều khiển với máy quét thơng quan nền tảng lập trình
Arduino
Thiết kế, chế tạo mơ hình máy qt vật thể 3D.
Dự kiến, chúng tơi sẽ thiết kế và chế tạo một máy scan 3D trên máy tính có những
tính năng sau:
- Có thể qt lại khối hình phục vụ cho mơn học giúp cho các em sinh viên
dễ hình dung hình dáng vật thể, và có cái nhìn đa chiều hơn về khối hình học, ứng
dụng phần mềm tính tốn để kiểm tra về thơng số hình học, chiều dài của khối hình
học so với tính tốn thực tế, như thể tích V, gán vật liệu, xác định trọng tâm, tính
trọng lượng.
- Có thể thể chỉnh sửa vật thể theo ý sáng tạo mình mong muốn;
- Có thể kết nối với máy in 3D để tạo nhanh mẫu vật thể;
- Có thể lập trình để gia cơng chi tiết trên máy CNC.
5.Tóm tắt tiến trình thực hiện đề tài
Các nội dung, công việc
TT

thực hiện chủ yếu
(Các mốc đánh giá chủ yếu)

Sản phẩm

Thời gian

đạt được

bắt đầu - kết thúc

1

Thiết kế chế tạo khung cơ khí
cho máy Scan 3D

Khung cơ khí hồn
chỉnh

02-05/2020

2

Nghiên cứu lý thuyết điểu khiển
cơ cấu thông qua mạch Aduino

Board mạch điều
khiển máy

05-08/2020

3

Nghiên cứu lý thuyết thiết kế

ngược tạo mẫu nhanh

Tài liệu và ứng
dụng xử lý vật thể
quét được.

08-12/2020

Thuyết minh đề tài
Bài báo khoa học

2


B. NỘI DUNG
Chương 1: Tổng quan về công nghệ thiết kế ngược
1.1. Giới thiệu về công nghệ thiết kế ngược
Trong lĩnh vực sản xuất, thông thường để chế tạo ra 1 sản phẩm, người thiết kế
đưa ra ý tưởng về sản phẩm đó, phác thảo ra sản phẩm, tiếp theo là q trình tính
tốn thiết kế, chế thử, rồi kiểm tra, hoàn thiện phác thảo, để đưa ra phương pháp tối
ưu, cuối cùng là công đoạn sản xuất ra sản phẩm. Đây chính là chu trình sản xuất
truyền thống, là phương pháp sản xuất đã được áp dụng từ bao thế kỷ nay. Phương
pháp này cịn được gọi là cơng nghệ sản xuất thuận (Forward Enineering). Trong
vài chục năm trở lại đây với sự phát triển với sự phát triển của công nghệ, xuất hiện
1 dạng sản xuất theo 1 chu trình mới, đi ngược với sản xuất truyền thống, đó là chế
tạo sản phẩm theo hoặc dựa trên 1 sản phẩm có sẵn. Quy trình này gọi là cơng nghệ
thiết kế ngược (Reverse Engineering) hay cũng được hiểu là công nghệ chép mẫu
hay công nghệ chế tạo ngược.
Công nghệ này ra đời dựa trên nhu cầu sản xuất thực tế, đôi khi người ta cần
chế tạo sản phẩm theo những mẫu có sẵn mà chưa (hoặc khơng) có mơ hình CAD

tương ứng như các chi tiết khơng rõ xuất xứ, những phù điêu, bộ phận cơ thể con
người, động vật. Hay đơn giản chỉ là sao chép lại kết quả của những sản phẩm đã
khẳng định tên tuổi trên thị trường (để giảm chi phí chế tạo mẫu) hoặc để cải tiến
sản phẩm đó theo hướng mới. Để tạo được mẫu của những sản phẩm này, trước đây
người ta phải đo đạc rồi vẽ phác lại hoặc dựng sáp, thạch cao để in mẫu. Các
phương pháp này cho độ chính xác khơng cao, tốn nhiều thời gian và cơng sức, đặc
biệt là đối với những chi tiết phức tạp. Ngày nay người ta đã sử dụng máy quét hình
để số hóa hình dáng của chi tiết sau đó các phần mềm CAD/CAM chuyên dụng để
xử lý dữ liệu số hóa cuối cùng sẽ tạo ra được mơ hình CAD 3D cho chi tiết với độ
chính xác cao. Mơ hình CAD này cũng có thể chỉnh sữa nếu cần. Trên phạm vi rộng
công nghệ thiết kế ngược được định nghĩa là hoạt động bao gồm các bước phân tích
để lấy thơng tin về sản phẩm đã có sẵn (bao gồm thông tin về chức năng các bộ
phận, đặc điểm về kết cấu hình học, vật liệu, tính cơng nghệ) sau đó tiến hành khơi
phục lại mơ hình CAD cho chi tiết hoặc phát triển thành sản phẩm mới, sử dụng
3


CAD/CAM/CNC để chế tạo sản phẩm. Công nghệ thiết kế ngược đã được ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực như hóa học, điện tử, xây dựng, cơ khí, y học, nghệ thuật. Ví
dụ trong xây dựng, chúng ta ln học hỏi kỹ thuật thiết kế cũng như thi công của
những công trình hồn thiện (Succeessful building/brige) của thế giới để giảm thiểu
những sai sót. Giảm thời gian thiết kế và tăng thêm những ưu việt cho những cơng
trình của mình.
Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo, cơng nghệ thiết kế ngược được định nghĩa là
hoạt động tạo ra sản phẩm từ các mẫu sản phẩm cho trước mà khơng có bản vẽ thiết
kế hoặc đã bị mất hay không rõ ràng. Sản phẩm mới được tạo ra trên cơ sở khôi
phục nguyên vẹn hoặc phát triển lên từ thực thể ban đầu.
Từ khi ra đời vào những năm 90 của thế kỷ trước, công nghệ thiết kế ngược
(Reverse Engineering) đã được nghiên cứu, áp dụng trong nhiều lĩnh vực phát triển
nhanh sản phẩm, đặc biệt là trong lĩnh vực thiết kế mơ hình 3D từ mơ hình đã có

sẵn nhờ sự trợ giúp của máy tính. Kỹ thuật thiết kế ngược ngày càng phát triển theo
sự phát triển của các phần mềm CAD/CAM. Nó ln được quan tâm và cũng liên
tục được cải tiến để đáp ứng để đáp ứng nhu cầu của xã hội trên nhiều lĩnh vực sản
xuất. RE trở thành 1 bộ phận quan trọng của sản xuất hiện tại. Đã có nhiều cơng ty
của nhiều quốc gia ứng dụng hiệu quả và rất thành công công nghệ này. Có thể thấy
Trung Quốc là một điển hình. Nhiều sản phẩm như xe máy, ơ tơ, máy móc hàng loạt
đồ gia dụng, đồ chơi đã được sản xuất dựa trên sự sao chép các mẫu có sẵn trên thị
trường của các hãng nổi tiếng của Nhật, Hàn Quốc như Honda, Misubishi, Toyota.
(Hình 1.1 là một ví dụ minh họa)

Sản phẩm thực

Sản phẩm được sơn trắng để
quét mẫu

4


Qt mẫu bằng máy

Mơ hình sản phẩm sau khi
qt

Mơ hình hóa các bề mặt

Mơ hình CAD xây dựng lại

Hình 1.1: Qui trình lấy mẫu áp dụng cơng nghệ thiết kế ngược
Ở Việt Nam, trong những năm trở lại đây công nghệ thiết kế
ngược cũng đã được áp dụng vào sản xuất. Tuy nhiên phần lớn

chưa mang tính chuyên nghiệp. Ví dụ như các công ty sản xuất,
chế tạo khuôn cho các mặt hàng nhựa, cơ khí thường khi nhận đơn
đặt hàng của các đối tác làm 1 bộ khuôn cho 1 mẫu sản phẩm cho
trước thì đa số việc số hóa mơ hình lấy dữ liệu đều thực hiện 1
cách thủ công, đo vẽ bằng tay. Việc ứng dụng các thiết bị số hóa
cơng nghệ cao chun dụng, các phần mềm thiết kế ngược vẫn
chưa nhiều. Chỉ có 1 số ít cơng ty có thể làm theo hợp đồng hay
5


các viện, trường đại học có máy quét 3D nhưng chủ yếu vẫn là
phục vụ cho học tập và nghiên cứu.
1.2. Thiết kế ngược bằng phương pháp quang học
- Phương pháp đo không tiếp xúc là phương pháp dùng tia laser
hoặc các tia quang học khác để đo hoặc chụp ảnh bề mặt vật cần
đo(quét) sau đó dữ liệu được xử lý, hoàn thiện nhờ các phần mềm
xử lý ảnh chuyên nghiệp.
- Ưu điểm:
+ Thời gian lấy mẫu nhanh, có thể lấy mẫu vật thể có kích thước
lớn.
+ Phương pháp này có thể lấy mẫu các vật thể làm bằng vật liệu
mềm như chất dẻo, xốp, sáp …hay các vật thể bị biến dạng mà
không làm biến dạng hay phá hủy mẫu cần đo.
- Nhược điểm
+ Độ chính xác khơng cao bằng phương pháp đo tiếp xúc. Vì mỗi
phương pháp đều có ưu điểm, nhược điểm riêng nên sẽ được dùng
trong từng trường hợp cụ thể. Cũng có thể kết hợp cả 2 phương
pháp để đạt hiệu quả cao nhất. Có thể số hóa bằng máy qt
khơng tiếp xúc sau đó kiểm tra sai số sản phẩm bằng máy đo tọa
độ tiếp xúc.

1.3. Thiết bị thiết kế ngược
- 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 tồn 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 ngun cơng nhất, nên máy qt laser là một trong những
6


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 laser. Nếu quét bằng laser lên vật thể sống ví dụ như người thì cũng khơng
ảnh hưởng gì đến sức khoẻ hay làm ơ nhiễm mơi trường.
- Thiết bị số hóa đó chính là các loại máy qt laser và máy
qt ánh sáng trắng. Máy quét có thể đo các vật từ gần tới xa đến
35m đối với máy quét Laser.

Hình 1.2: Mơ hình máy qt 3D.
1.4. Phần miềm quản lý dữ liệu quét Geomagic
- Đây là một trong các phần mềm sử lý dữ liệu nhanh chóng và rất tiện lợi đựơc
dùng nhiều trong các công ty thiết kế chuyên nghiệp, là hệ thống thiết kế cơ khí dẫn
đầu trong nghành công nghiệp với những công cụ vượt trội để tạo mẫu và chỉnh sửa
các dữ liệu 3D, với quy trình làm việc khép kín tạo mơ hình cao cấp và là một trong
những giải pháp thiết kế chính xác.

7

- Geomagic studio là một trong những phần mềm hàng đầu về chỉnh sửa và tái
tạo ra các kiểu CAD với tham số trực tiếp từ các dữ liệu quét 3D. Là một giải pháp
phầm mềm mới mà nó cho phép tạo ra đầy đủ các tham số của vật thể và các bề mặt
khuôn mẫu từ dữ liệu quét 3D với dữ liệu mạng lưới đa giác có giao diện tốt nhất.
Công nghệ quét 3D kết hợp với Geomagic studio cung cấp cho nhà sản xuất hiệu
quả cao nhất.
Quy trình chỉnh sửa dữ liệu quét của Geomagic studio:

Hình 1.3. Qui trình chỉnh sửa dữ liệu quét trong Geomagic
- Dụng cụ được dùng để tạo ra các mơ hình trên sẽ được nhận ra ngay lập tức để
tương thích với các ứng dụng của CAD. Các đặc trưng thiết kế thơng thường cung
cấp hỗ trợ cực kì hiệu quả và mang lại nhiều tính năng ưu việt
8


- Các đặc trưng của Geomagic:
+ Làm sạch mạng lưới
+ Tự động làm sạch và nối mạng lưới
+ Liên kết tự động với dụng cụ liên kết thông minh
+ Vận hành mạng lưới với cấp độ tốt nhất
+ Kiểm soát độ phân giải và độ mịn của chi tiết.
- Sự đồng bộ hố qt tới CAD
+ Cập nhật các mơ hình CAD gốc để xây dựng lại chi tiết
+ Nhập dữ liệu quét vào các định dạng file CAD khác nhau
+ Tự động nhập các định dạng file CAD
+ Lặp lại kiểu CAD theo kiểu mạng lưới
+ Thiết kế lại trong vùng cho phép.
- Thiết kế từ dữ liệu quét 3D

+ Thực hiện nhiều thao tác với dữ liệu quét 3D
+ Tạo các kiểu CAD với tham số từ dữ liêu qt 3D
+ Gửi đầy đủ các mơ hình cơ sở từ nhiều hệ thống khác nhau
+ Đạt được mục đích thiết kế và xác định các tham số thiết kế.
+ Tham số hố các mơ hình CAD từ dữ liệu qt 3D
- Ngồi ra Geomagic studio cịn một số các ưu điểm nổi bật khác như: phần
mềm này có giao diện đẹp, thân thiện, khả năng thiết kế nhanh hơn các phần mềm
khác rất nhiều nhờ vào sự xắp xếp và bố trí các toolbar một cách có hệ thống và hợp
lý.
1.5. Thiết kế ngược bằng creo freestye
- Trong Restyle, có thể tạo đường curve bỡi các lựa chọn sau.
+ Facet point: Tạo đường curve trên bề mặt lưới tam giác (facet).
+ Datum point, vertices, curve, surface and facet data: Chọn các điểm tự do trên
hình học bao gồm điểm chuẩn, đường đỉnh, đường cong, mặt phẳng và dữ liệu lưới
điểm thì đường curve sẽ được tạo và đi qua.
9


+ Points on a surface: Từ các điểm trên surface.
+ Border or sharp edges of the facet feature: từ các biên hoặc cạnh của bề mặt lưới
tam giác.
+ A cross-section of the facet feature at a datum plane: Tạo đường curve từ tiết
diện cắt ngang giữa bề mặt lưới tam giác và mặt phẳng chuẩn.
+ Ngoài các cách trên, để tạo đường curve trong Restyle ta có thể dùng Insert –
Model Datum – Curve xuất hiện Menu Manager – CRV OPTION với các tuỳ chọn
Through Point, From a File, Using a Cross-section hoặc From a Equation.
- Tạo đường curve chiếu lên bề mặt lưới tam giác.
+ Phương pháp:Click chọn điểm trên facet để vẽ các đường curve đi qua các điểm
đó và click giữa chuột. Restyle sẽ tạo các đường curve đi xuyên qua các điểm đã
chọn trên bề mặt lưới tam giác (facet). Khi muốn chỉnh sửa đường curve này thì

trong quá trình duy chuyển đường curve tự động bám sát đám mây điểm.
1.6. Thiết kế mơ hình máy qt thu hình vật thể 3D
Thiết kế mơ hình máy quét thu hình vật thể 3D dựa trên ý tưởng thiết kế từ sơ
đồ nguyên lý của máy quét, bản vẽ được ý tưởng và phát họa thiết kế trên phần
mềm thiết kế 3d Inventor.
Phần mềm Inventor là phần mềm thiết kế thông dụng cung cấp giải pháp kỹ
thuật chuyên nghiệp cho thiết kế cơ khí 3D, lắp ráp và mơ phỏng, điều này giúp đạt
được những lợi ích của một tiến trình phát triển sản phẩm làm cho các sản phẩm tốt
nhất, hiệu quả về giá thành, thời gian sản xuất ngắn nhất. Phần mềm Inventor là sản
phẩm của hãng Autodesk là giải pháp cho việc phát triển sản phẩm. Mơ hình trên
phần mềm là mơ hình 3D kỹ thuật số chính xác điều này cho phép nhà thiết kế hợp
thức hóa chuẩn, mức độ ăn khớp và chức năng của một thiết kế, giảm tối đa việc
kiểm tra bằng cách tạo ra các mẫu thực tế.
Sau khi mô hình được thiết kế hồn thiện trên phần mềm, để thuận tiện cho việc
chế tạo lắp ghép, tiến hành chọn phương pháp chế tạo là in 3d sử dụng vật liệu
nhựa.

10


Chương 2: Thiết kế chế tạo máy scan 3D laser
2.1. Xây dựng sơ đồ nguyên lý hoạt động
a. Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy scan 3D
Sơ đồ nguyên lý được trình bày một cách tổng quát và chi tiết cấu tạo của một
thiết bị nhưng không theo trật tự về lắp đặt, sao cho dễ nhìn nhất. Sơ đồ nguyên lý
giúp ta hiểu được cách hoạt động của một thiết bị, giúp ta chế tạo ra một sản phẩm
hoàn chỉnh, nêu lên mối liên hệ điện của các phần tử trong mạch điện mà khơng thể
hiện vị trí lắp đặt, cách lắp ráp sắp xếp của chúng trong thực tế.
Dựa vào điều kiện nghiên cứu thực tế của đề tài, mục tiêu của thiết kế nguyên
lý hoạt động của máy được chế tạo. Lựa chọn và sử dụng thiết bị dùng cho sơ đồ

nguyên lý hợp lý đạt được mục tiêu và phù hợp với thực tế. Đồng thời thiết kế cũng
dựa trên lý thuyết thiết kế sản phẩm cơng nghiệp để tăng tính hiện đại và khoa học
hơn cho phương án thiết kế.
Sơ đồ nguyên lý hoạt động dựa trên ý tưởng hoạt động dưới sự điều khiển mạch
Arduino, điều khiển động cơ bước (Motor) chứa đĩa quay đặt trên là vật thể được
quét, với vật thể là các khối hình học được quét một lớp phản quang dùng để cho tia
laser có thể quét và nhận dạng được biên dạng, camera (logic) thu hình và điều
chỉnh độ sáng để hiệu chỉnh hình ảnh dữ liệu lúc calip set up máy quét, tương ứng
với một góc quay của động cơ mạch điều khiển sẽ điều khiển Laser quét lên biên
dạng của vật thể. Cụ thể như sơ đồ hình 2.1.

11


Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy quét thu hình vật thể 3D
b. Sơ đồ mạch điều khiển máy quét
 Mạch điều khiển trung tâm
− Board diều khiển trung tâm có nhiệm vụ truyền tín hiệu là các vị trí góc
quay cho bộ điều khiển cơng suất, tín hiệu góc quay được phân tích thuật tốn qt
vị trí.

Hình 2.2. Arduino Uno và Mega2560
− Arduino là một vi điều khiển bằng cách sử dụng vi điều khiển, ví dụ
Atmega2560 gồm có 54 chân digital (15 chân có thể sử dụng như các chân PWM),
16 chân đầu vào (analog), 4 chân UART (cổng nối tiếp phần cứng), 1 chân thạch
anh 16 MHz, 1 cổng kết nối USB, 1 jack cấm điện, 1 đầu ICSP, 1 nút reset.
Arduino Mega2560 là một bo mạch được tích hợp nhiều tính năng nổi bật:

12

− Tính năng đầu tiên là thiết kế hệ thống I/O (đầu vào/ra) lớn với 16 bộ
chuyển đổi tương tự và 54 bộ chuyển đổi digital hỗ trợ UART và các chế độ giao
tiếp khác.
− Arduino Mega 2560 có sẵn RTC (Read Time Clock: thời gian thực) và các
tính năng khác như bộ so sánh, timer, ngắt để điều khiển hoạt động, tiết kiệm điện
năng và tốc độ nhanh hơn với xung thạch anh16 Mhz.
− Các tính năng khác bao gồm hỗ trợ để lập trình, gỡ lỗi và xử lý sự cố. Với
bộ nhớ FLASH lớn và SRAM, bo này có thể xử lý chương trình hệ thống lớn một
cách dễ dàng.
− Nó cũng tương thích với các loại bo mạch khác nhau như tín hiệu mức cao
(5V) hoặc tín hiệu mức thấp (3.3V) với chân nạp I/O.

Hình 2.3. Sơ đồ ngun lý mạch Arduino
- Có tính năng hỗ trợ kết nối wifi (mạng không dây) giúp cho việc điều khiển
từ xa trở nên dễ dàng.
13


Các đặc điểm kỹ thuật của Arduino Mega 2560
Arduino Mega

Tính năng, đặc điểm

Vi điều khiển

AVR ATmega 2560 (8bit)

Nguồn cung cấp

7-12V (Bộ điều chỉnh sẵn có cho bộ điều khiển)

Số chân I/O số

54

Số chân I/O tương tự

16

Xung clock

16 MHz ( nhà sản xuất cài đặt là 1MHz)

Bộ nhớ flash

128 KB

SRAM

8 KB

Giao tiếp

USB (Lập trình với ATmega 8), ICSP (lập trình),
SPI, I2C và USART

Bộ Timer

2 (8bit) + 4 (16bit) = 6 Timer

PWM

12 (2-16 bit)

ADC

16 (10 bit)

USART

4

Ngắt thay đổi chân

24

- Khối chuyển đổi Serial – USB (1): giao tiếp COM ảo qua cổng USB, nạp
chương trình.
- Khối nguồn (2): cân bằng điện áp cho đúng với điện áp yêu cầu, cung cấp
nguồn điện cho toàn hệ thống.
- Các cổng điện áp (3): cung cấp điện áp đầu ra cho các thiết bị và chân điện
áp so sánh.
- Các cổng Analog in (4): cổng tín hiệu vào với mức điện từ 0-5V tương ứng.
- Khối các cổng Digital in-out (5): có thể nhận điện áp vào hoặc xuất điện áp
ra.
Vi điều khiển:

14

Hình 2.4. ATmega 2560 và sơ đồ chân kết nối
Đặc điểm:
- 32x8 thanh ghi đa năng làm việc như các vùng nhớ tốc độ cao.
- Tốc độ thực hiện lệnh tối đa 16 MIPS (với thạch anh 16MHz, không chia
tần).
- 256KB bộ nhớ Flash, dùng làm bộ nhớ chương trình.
- 4KB EEPROM, dùng để lưu các biến ngay cả khi không được cấp điện.
- 8KB SRAM dùng để lưu kết quả trung gian, làm bộ nhớ vào ra và dùng cho
stack.
- Cho phép nạp xoá Flash 10.000 lần, EEPROM 100.000 lần, Fulse Bits, Lock
Bits.
- Các chức năng ngoại vi tích hợp sẵn: 2 bộ Timer 8 bits với nhiều chế độ hoạt
động, 4 bộ Timer 16 bit có bộ chia tần riêng.
- 4 kênh điều chế độ rộng xung PWM có độ phân giải 8bit. 22
- 12 kênh điều chế độ rộng xung PWM có độ phân giải 2 đến 16 bits.
- Tích hợp ADC 10bit.
 Mạch cơng suất
A4988 là một bộ điều khiển DMOS cực nhỏ với bộ chuyển đổi và bảo vệ q
dịng. A4988 có thể điều khiển được động cơ bước lưỡng cực với dòng điện lên đến
2A với mỗi cuộn dây.

15


Hình 2.5. Module điều khiển động cơ bước

Dưới đây là một số tính năng chính của sản phẩm: Dễ dàng điều khiển hướng
quay và số bước quay 5 chế độ điều khiển: full step, haft step, 1/4, 1/8, 1/16 Có thể
điều chỉnh dịng tối đa thơng qua một biến trở cho phép động cơ bước hoạt động với

công suất tối đa Ngắt bảo vệ khi quá nhiệt, quá áp và q dịng Bảo vệ ngắn mạch
Thơng số kỹ thuật Điện áp hoạt động: 8V~35V Dòng liên tục trên mỗi pha: 1A~2A
Điện áp logic: 3V-5.5V Kích thước: 15,24 x 20,32cm.

16


Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh của board điều khiển công suất
Thông số kỹ thuật:
− Công suất ngõ ra lên tới 35V, dịng đỉnh 2A.
− Có 5 chế độ: full bước, 1/2 bước, 1/4 bước, 1/8 bước, 1/16 bước
− Điểu chỉnh dòng ra bằng triết áp, nằm bên trên Current Limit = VREF × 2.5
− Tự động ngắt điện khi quá nhiệt.
Cách sử dụng:
− Lựa chọn chế độ full hay 1/2 hay 1/4 , sẽ được thông qua 3 pin MS1 MS2
MS3. Mình thường nối thẳng 3 pin này với công tắc bit 3p để dễ thiết lập từ trên
phần cứng. Lưu ý là nếu thả nổi 3 pin này tức là mode full step.
− Bật tắt động cơ thì thơng qua pin ENABLE, mức LOW là bật module, mức
HIGH là tắt module.
− Điều khiển chiều quay của động cơ thông qua pin DIR.
17


− Điều khiển bước của động cơ thông qua pin STEP, mỗi xung là tương ứng
với 1 bước ( hoặc vi bước).
− Hai chân Sleep với Reset luôn nối với nhau.
− Kết nối giữa một vi điều khiển nói chung với A4988:
− Kết nối giữa A4899 với Board Arduino
 Động cơ
Cấu tạo và nguyên lý Động cơ bước NEMA17, động cơ bước có thể được coi là

tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng
bộ giảm tốc công suất nhỏ. Về cấu tạo động cơ bước gồm có các bộ phận là:
− Stato: cuộn dây.
− Roto: nam châm vĩnh cửu (hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở là
những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính).

Hình 2.7. Cấu tạo và Sơ đồ chân của động cơ bước NEMA17
Động cơ bước được điều khiển bởi bộ điều khiển bên ngồi (trong bài này mình
sẽ sử dụng module A4988). Động cơ bước và bộ điều khiển được thiết kế sao cho
động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như quay đến một vị trí bất
kỳ nào.
Góc bước là góc quay của trục động cơ tương ứng với một xung điều khiển.
Góc bước được xác định dựa vào cấu trúc của động cơ bước và phương pháp điều
khiển động cơ bước. Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng
quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm
việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ
tự và một tần số nhất định.
18