ỨNG DỤNG kỹ THUẬT NGƯỢC TRONG THIẾT kế và KIỂM TRA các sản PHẨM cơ KHÍ cấu THÀNH từ các bề mặt tự DO

LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------

PHẠM VĂN HUÂN

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT NGƯỢC TRONG THIẾT KẾ
VÀ KIỂM TRA CÁC SẢN PHẨM CƠ KHÍ
CẤU THÀNH TỪ CÁC BỀ MẶT TỰ DO

Chuyên ngành : CHẾ TẠO MÁY
Mã số
: 12BCTM-KT23

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHẾ TẠO MÁY
Người hướng dẫn: TS. BÙI NGỌC TUYÊN

Hà Nội – Năm 2014
MỤC LỤC


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

DANH MỤC HÌNH VẼ........................................................................................IV
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN..........................................................................................................2
CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT....................................................................3
MỞ ĐẦU..................................................................................................................1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT NGƯỢC.......................................3
1.1. Giới thiệu về kỹ thuật ngược..........................................................................................................................3
1.2. Phạm vi ứng dụng của kỹ thuật ngược.........................................................................................................5
1.3 Ưu nhược điểm của kỹ thuật ngược...............................................................................................................5
1.4. Các giai đoạn của kỹ thuật ngược..................................................................................................................6

KẾT LUẬN..............................................................................................................7
CHƯƠNG II.............................................................................................................8
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO, QUÉT DỮ LIỆU VÀ MÁY SCAN 3D....................8
2.1. Phương pháp đo tiếp xúc.................................................................................................................................8
2.2. Phương pháp đo không tiếp xúc....................................................................................................................9
2.3. Máy quét mẫu 3D laser....................................................................................................................................9
2.3.1. Giới thiệu chung về máy Scan Laser...................................................................................................9
2.3.2 Phạm vi ứng dụng...............................................................................................................................12
2.3.3. Ưu, nhược điểm của máy quét hình Scan laser..................................................................................12
2.4. Tìm hiểu và sử dụng các chức năng cơ bản của máy Scan 3D ViVid 9i................................................13
2.4.1 Các thiết bị của máy Scan 3D Vivid - 9i.............................................................................................13
2.4.2. Các bước tiến hành kết nối.................................................................................................................16
2.4.3. Thao tác cơ bản khi sử dụng máy Scan ViVid 9i..............................................................................17

KẾT LUẬN............................................................................................................21
CHƯƠNG III:........................................................................................................22
PHẦN MỀM THIẾT KẾ NGƯỢC RAPIDFORM XOR...................................22
3.1. Giới thiệu chung về phần mềm Rapidform XOR.....................................................................................22
3.2. Các lệnh hiển thị trên phần mềm Rapidform XOR3...............................................................................23
3.3. Các chế độ của phần mềm Rapidform XOR.............................................................................................29
3.3.1. Chế độ Mesh......................................................................................................................................29
3.3.2. Chế độ Region Group:.......................................................................................................................36
3.3.3. Chế độ Mesh Sketch..........................................................................................................................36
3.3.4. Chế độ Sketch:...................................................................................................................................37

3.3.5. Chế độ 3D Mesh Sketch:...................................................................................................................37


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY
3.3.6 Chế độ 3D Sketch:..............................................................................................................................38
3.4. Chế độ làm việc chung:.................................................................................................................................39

KẾT LUẬN............................................................................................................42
CHƯƠNG IV:........................................................................................................43
PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC HÌNH HỌC.....43
CÁC BỀ MẶT TỰ DO..........................................................................................43
4.1. Giới thiệu bề mặt tự do..................................................................................................................................43
4.2. Phương pháp kiểm tra đánh giá trong kỹ thuật ngược...........................................................................44
4.3. Quy trình đo kiểm sản phẩm trên phần mềm Geomagic.........................................................................46

KẾT LUẬN............................................................................................................48
CHƯƠNG V...........................................................................................................49
THỰC NGHIỆM ỨNG DỤNG KỸ THUẬT NGƯỢC TRONG THIẾT KẾ VÀ
KIỂM TRA MẪU CÁNH QUẠT CHIP MÁY TÍNH.........................................49
5.1 Thiết kế lại mẫu bằng phần mềm Rapiform...............................................................................................49
5.1.1. Quét mẫu............................................................................................................................................49
5.1.2. Thiết kế lại sử dụng phần mềm Rapidform........................................................................................50
5.2. Gia công chế tạo mẫu.....................................................................................................................................57
5.3. Kiểm tra độ chính xác gia công bằng phần mềm Geomagic...................................................................85

KẾT LUẬN............................................................................................................87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...............................................................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................89

LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

DANH MỤC HÌNH VẼ
HÌNH 1.1: SO SÁNH KỸ THUẬT THUẬN VÀ KỸ THUẬT NGƯỢC.............3
HÌNH 1.2: SƠ ĐỒ CÁC GIAI ĐOẠN CỦA KỸ THUẬT NGƯỢC....................6
HÌNH 2.1: MÁY ĐO VÀ ĐẦU ĐO DÙNG TRONG PHƯƠNG PHÁP ĐO
TIẾP XÚC................................................................................................................ 8
HÌNH 2.2. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MÁY SCAN 3D..............................................10
HÌNH 2.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC MÁY SCAN 3D......................................11
HÌNH 2.4. HÌNH ẢNH MỘT SỐ MÁY QUÉT LASER.....................................11
HÌNH 2.5 SƠ ĐỒ CẤU HÌNH HỆ THỐNG MÁY SCAN 3D VIVID 9I...........14
HÌNH 2.6. MÔ HÌNH PHẦN TRƯỚC CỦA THÂN MÁY................................15
HÌNH 2.7. MÔ HÌNH PHẦN SAU CỦA THÂN MÁY.......................................15
HÌNH 2.8. BẢNG ĐIỀU KHIỂN MÁY SCAN VIVID 9I...................................16
HÌNH 2.9. SƠ ĐỒ KẾT NỐI ĐIỆN......................................................................17
HÌNH 2.10. SƠ ĐỒ THÁO CÁC NẮP CHẮN TIA LASER..............................18
HÌNH 2.11. THANH MENU CỦA MÁY SCAN VIVID 9I................................18
HÌNH 2.12. CÀI ĐẶT CHẾ ĐỘ QUÉT...............................................................18
HÌNH 2.13. KẾT NỐI PHẦN MỀM RAPIDFORM VỚI MÁY SCAN............19
HÌNH 2.14. THIẾT LẬP KẾT NỐI VỚI BÀN XOAY - MODEL: CHỌN
MỘT BÀN XOAY MUỐN KẾT NỐI. - PORT: CHỌN MỘT CỔNG ĐỂ GIAO
TIẾP VỚI MỘT BÀN XOAY. - CONNECT : CHỌN VÀO CONNECT ĐỂ
BẮT ĐẦU ĐỂ GIAO TIẾP VỚI MỘT BÀN XOAY. - DISCONNECT: CHỌN
DISCONNECT NẾU MUỐN DỪNG GIAO TIẾP VỚI MỘT BÀN XOAY. AUTO ROTATE: NẾU ĐƯỢC CHỌN, MỘT BÀN QUAY ĐƯỢC BẬT VỚI
GÓC QUY ĐỊNH SAU KHI QUÉT. - NO. OF SCAN: SỐ VÒNG QUAY CỦA
BÀN XOAY (LẦN). - TOTAL ANGLE: CÀI ĐẶT GÓC QUÉT TOÀN BỘ
MẪU QUÉT. - EQUAL SPACING: NẾU ĐƯỢC CHỌN, QUÁ TRÌNH QUÉT
ĐƯỢC ÁP DỤNG VỚI MỘT GÓC BẰNG NHAU MÀ ĐƯỢC QUYẾT ĐỊNH
BỞI SỐ LẦN QUÉT VÀ TỔNG GÓC.................................................................20

LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

HÌNH 3.1 . SO SÁNH THỜI GIAN THIẾT KẾ MÔ HÌNH GIỮA CÁC
NHÓM PHẦM MỀM............................................................................................23
HÌNH 3.2.BẢNG FEATURE TRÊN CÂY THƯ MỤC FREE...........................24
HÌNH 3.3 MENU PHỤ CÂY THƯ MỤC TREE.................................................25
HÌNH 3.5. MENU PHỤ TRÊN MODEL.............................................................26
HÌNH 3.6. BẢNG DISPLAY.................................................................................27
HÌNH 3.7. ĐƠN GIẢN HÓA KHI XOAY MÔ HÌNH........................................28
HÌNH 3.8. HIỂN THỊ RÀNG BUỘC SKETCH..................................................28
HÌNH 3.9. HIỂN THỊ CÁC ĐIỂM NÚT TRÊN SPLINE..................................28
HÌNH 3.10. HÌNH ẢNH 6 CHẾ ĐỘ CỦA PHẦN MỀM RAPIDFORM XOR.29
HÌNH 3.11. CHẾ ĐỘ MESH................................................................................29
HÌNH 3.12. CÁC CÔNG CỤ TRONG CHẾ ĐỘ MESH....................................29
HÌNH 3.13. LỆNH FILL HOLES........................................................................30
HÌNH 3.14. SỬ DỤNG ADD BRIDGE................................................................30
HÌNH 3.15. BẢNG CHỌN DECIMATE.............................................................31
HÌNH 3.16. CHỈNH ĐƯỜNG BIÊN CỦA MÔ HÌNH........................................31
HÌNH 3.17. CHỈNH MẬT ĐỘ LƯỚI TAM GIÁC.............................................31
HÌNH 3.18. TÙY CHỌN OPTIMIZE MESH......................................................32
HÌNH 3.19. ĐIỀU CHỈNH ĐỘ MỊN CỦA LƯỚI TAM GIÁC..........................32
HÌNH 3.20. CÁC MỨC ĐỘ HIỆU CHỈNH SHARPANESS..............................33
HÌNH 3.21. CÁC MỨC ĐỘ HIỆU CHỈNH OVERALL SMOOTHNESS........33
HÌNH 3.22. HIỆN THỊ CÁC BỀ MẶT BỊ LỖI...................................................34
HÌNH 3.23. BỀ MẶT VỚI 2 CẠNH HỞ HÌNH 3.24. BỀ MẶT VỚI 3 CẠNH
HỞ........................................................................................................................... 34
HÌNH 3.25. BỀ MẶT BỊ LỖI DẠNG ĐƯỜNG HẦM........................................34
HÌNH 3.26. PHÂN VÙNG LẠI CÁC BỀ MẶT LỖI..........................................35
HÌNH 3.27. MINH HỌA ĐIỀN TỰ ĐỘNG CÁC VÙNG BỊ THIẾU................35

HÌNH 3.28. ĐIỂU CHỈNH THANH MỨC ĐỘ MỊN..........................................35
HÌNH 3.29. HIỆU CHỈNH MẬT ĐỘ LƯỚI TAM GIÁC..................................36


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

HÌNH 3.30. MINH HỌA GIAO MẶT PHẲNG VÀ ĐÁM MÂY ĐIỂM...........36
HÌNH 3.31. CÁC LỰA CHỌN SPLINE TRÊN ĐÁM MÂY ĐIỂM..................38
HÌNH 3.32. CÁC LỆNH TRONG CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CHUNG...................39
HÌNH 3.33. MẶT PHẲNG THAM CHIẾU.........................................................39
HÌNH 3.34. BẢNG CHỌN SELECT FILTER....................................................39
HÌNH 3.35. ALIGN DỮ LIỆU ĐÁM MÂY ĐIỂM.............................................40
HÌNH 3.36. LỆNH VỚI MÔ HÌNH DẠNG SOLID............................................41
HÌNH 3.37. LỆNH VỚI MÔ HÌNH DẠNG SURFACE.....................................41
HÌNH 4.1. SƠ ĐỒ VÒNG TRÒN CÁC VÙNG BỀ MẶT TRƠN, LIÊN TỤC
CỦA BỀ MẶT TỰ DO..........................................................................................44
HÌNH 4.2. QUY TRÌNH KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ TRONG KỸ THUẬT
NGƯỢC.................................................................................................................. 45
HÌNH 4.3. KẾT QUẢ SO SÁNH TRÊN PHẦN MỀM GEOMAGIC...............47
HÌNH 5.1. CÁNH QUẠT CHÍP TRONG MÁY TÍNH.......................................49
HÌNH5.2 . MÁY SCAN 3D VIVID 9I..................................................................50
HÌNH 5.3. TẠO VECTOR CÁNH QUẠT...........................................................51
HÌNH 5.4. SKETCH BIÊN DẠNG PHẦN BẦU QUẠT.....................................52
HÌNH 5.5. LỆNH REVOLVE TẠO PHẦN BẦU QUẠT...................................53
HÌNH 5.6. XÂY DỰNG BẦU CÁNH QUẠT TỪ SKETCH..............................53
CHIẾT XUẤT TỪ MẶT PHẲNG TOP PLANE VÀ DỮ LIỆU POINT
CLOUD..................................................................................................................53
HÌNH 5.7. DÙNG LỆNH SURFACELOFT TẠO CÁNH QUẠT......................54
HÌNH 5.8. DÙNG LỆNH MESHFIT TẠO CÁNH QUẠT.................................54
HÌNH 5.9. XÂY DỰNG BIÊN DẠNG BAO QUANH CÁNH QUẠT................55

HÌNH 5.10. MÔ HÌNH 1 CÁNH QUẠT..............................................................55
HÌNH 5.11 DÙNG LỆNH PATTEM....................................................................56
HÌNH 5.12. BẢNG SO SÁNH MÔ HÌNH THIẾT KẾ VÀ ĐÁM MÂY ĐIỂM 57
HÌNH 5.13. MẪU THIẾT KẾ BẰNG PHẦN MỀM RAPIDFORM XOR........58
HÌNH 5.14. STOCK SETUP CÁNH QUẠT........................................................59


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

HÌNH 5.15. PHÔI GIA CÔNG.............................................................................59
HÌNH 5.16. 2D TOOLPATHS - FACING...........................................................60
HÌNH 5.17. CHAIN MANAGER - FACING.......................................................60
HÌNH 5.18. DEFINE TOOL - FACE MILL........................................................61
HÌNH 5.19. CUT PARAMETERS.......................................................................62
HÌNH 5.20. DEPTH CUTS...................................................................................62
HÌNH 5.21. LINKING PARAMETERS..............................................................63
HÌNH 5.22. PLANES (WCS)................................................................................64
HÌNH 5.23. COOLANT - FACING......................................................................64
HÌNH 5.24. ĐƯỜNG CHẠY DAO MÔ PHỎNG - FACING.............................65
HÌNH 5.25. 2D TOOLPATHS – CONTOUR......................................................65
HÌNH 5.26. CHAIN MANAGER – CONTOUR.................................................66
HÌNH 5.27. DEFINE TOOL – CONTOUR.........................................................67
HÌNH 5.28. ĐƯỜNG CHẠY DAO MÔ PHỎNG – CONTOUR........................68
HÌNH 5.29. SURFACE ROUGH – PARALLEL................................................68
HÌNH 5.30. DRIVE- SURFACE ROUGH PARALLEL....................................69
HÌNH 5.31. CHECK- SURFACE ROUGH PARALLEL...................................70
HÌNH 5.32. DEFINE TOOL - SURFACE ROUGH PARALLEL.....................70
HÌNH 5.33. PLANES - SURFACE ROUGH PARALLEL.................................71
HÌNH 5.34. SURFACE PARAMETERS - SURFACE ROUGH PARALLEL. 71
HÌNH 5.35. ROUGH PARALLEL PARAMETERS - SURFACE ROUGH

PARALLEL...........................................................................................................72
HÌNH 5.36. CUTS DEPTHS - SURFACE ROUGH PARALLEL.....................72
HÌNH 5.37. ĐƯỜNG CHẠY DAO GIA CÔNG THÔ MẶT..............................73
HÌNH 5.38. SURFACE FINISH CONTOUR......................................................73
HÌNH 5.39. DRIVE - SURFACE FINISH CONTOUR......................................74
HÌNH 5.40. CONTAINMENT - SURFACE FINISH CONTOUR....................75
HÌNH 5.41. DEFINE TOOL - SURFACE FINISH CONTOUR........................76
HÌNH 5.42. SURFACE PARAMETERS - SURFACE FINISH CONTOUR....77


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

HÌNH 5.43. FINISH CONTOUR PARAMETERS - SURFACE FINISH
CONTOUR............................................................................................................. 78
HÌNH 5.44. ĐƯỜNG CHẠY DAO CONTOUR CÁNH QUẠT.........................79
HÌNH 5.45. SURFACE FINISH RADIAL...........................................................79
HÌNH 5.46. DRIVE - SURFACE FINISH RADIAL...........................................80
HÌNH 5.47. CHECK - SURFACE FINISH RADIAL.........................................80
HÌNH 5.48. DEFINE TOOL - SURFACE FINISH RADIAL............................81
HÌNH 5.49. ĐƯỜNG CHẠY DAO MẶT CÁNH................................................82
HÌNH 5.50. ĐƯỜNG CHẠY DAO MÔ PHỎNG CÁNH QUẠT.......................82
HÌNH.5.51. POST PROCESSING CÁNH QUẠT...............................................83
HÌNH 5.52. CHƯƠNG TRÌNH GIA CÔNG NC.................................................84
HÌNH 5.53. MẪU GIA CÔNG BỀ MẶT CÁNH QUẠT CHIP MÁY TÍNH....84
HÌNH 5.54. TÁCH BIÊN CÁNH QUẠT TỪ ĐÁM MÂY ĐIỂM......................85
HÌNH 5.55. TÁCH BIÊN DẠNG SURFACE CỦA MỘT CÁNH QUẠT.........86
HÌNH 5.56.KẾT QUẢ SO SÁNH TRÊN PHẦN MỀM GEOMAGIC..............87


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa

được ai công bố trong bất kỳ một công trình khác, trừ những phần tham khảo
được ghi rõ trong luận văn.
Tác giả

Phạm Văn Huân


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy Bùi Ngọc Tuyên đã nhiệt tình
hướng dẫn thực hiện đề tài.
Tác giả gửi lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô trong Bộ môn Gia công vật
liệu & Dụng cụ cắt _ Viện Cơ khí Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tác giả xin cảm ơn
Ban Giám Hiệu Nhà Trường và Viện Đào Tạo Sau Đại Học Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn
Mặc dù bản thân đã thực sự cố gắng trong quá trình thực hiện đề tài, nhưng chắc
chắn sẽ không tránh khỏi có những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được những
góp ý đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp
Hà Nội, ngày .... tháng... năm 2014
Tác giả luận văn

Phạm Văn Huân


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
RE (Reverse Engineering): Kỹ thuật ngược
PC (Point Cloud): Đám mây điểm
Scan: Quét, số hóa bề mặt
Surface: Bề mặt
Solid: Khối rắn
CMM: Coordinate Measuring Machine
Freeform Surface: Bề mặt tự do


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay để nâng cao năng suất, độ chính xác chế tạo và đơn giản hóa quy trình
công nghệ, giải pháp công nghệ kỹ thuật ngược ngày càng được sử dụng rộng rãi tại
các nước phát triển trên thế giới và đang dần dần được các công ty trong nước tin
tưởng áp dụng.
Kỹ thuật ngược ( Reverse engineering ) như là một trong những giải pháp kỹ thuật
mang lại hiệu quả kinh tế cao, rút ngắn quá trình phát triển sản phẩm
Bên cạnh đó, quản lý chất lượng sản phẩm là một bộ phận quan trọng trong quy
trình sản xuất ngày nay. Việc đảm bảo sản phẩm sản xuất đúng như ý tưởng của
người thiết kế và đạt được các kích thước theo yêu cầu kỹ thuật là một thách thức
của cả quá trình sản xuất. Ngày nay, rất nhiều công ty đã sử dụng công nghệ scan
3D thay cho các kỹ thuật kiểm tra truyền thống để đo kiểm các bề mặt chi tiết cong
phức tạp, bề mặt tự do
Do vậy, tìm hiểu về các thiết bị và các phần mềm ứng dụng hiện đại trong trường
là một trong những vấn đề cấp thiết cho học viên chúng em để có thể đáp ứng được
các nhu cầu thực thế sản xuất.

Với sự tận tình giúp đỡ và định hướng nghiên cứu của TS Bùi Ngọc Tuyên, tác
giả đã chọn đề tài: “Ứng dụng kỹ thuật ngược trong thiết kế và kiểm tra các sản
phẩm cơ khí cấu thành từ các bề mặt tự do”.
2. Mục tiêu thực hiện đề tài
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu chủ yếu của đề tài là:
- Làm chủ được các chức năng trong phần mềm Rapidform XOR, thiết kế được các
mô hình sản phẩm trong thực tế
- Tìm hiểu máy quét 3D
- Tìm hiểu quy trình quét mẫu và thiết kế mô hình với kỹ thuật ngược
- Tìm hiểu quy trình kiểm tra sản phẩm cơ khí cấu thành từ các bề mặt tự do
1


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

3. Đối tượng nghiên cứu
- Tìm hiểu về kỹ thuật ngược trong thiết kế và kiểm tra sản phẩm cơ khí cấu thành
từ các bề mặt tự do
- Máy quét 3D ViVid 9i
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu khai thác phần mềm Rapidform XOR vận dụng kỹ năng sử dụng phần
mềm, tìm hiểu cách sử dụng máy quét ViVid 9i, tìm hiểu phương pháp đánh giá độ
chính xác hình học các bề mặt tự do kết hợp với lý thuyết chuyên nghành Chế tạo
máy để thiết kế và lập trình gia công trên máy phay CNC.
Thực nghiệm thiết kế lại chi tiết quạt chip trong case máy tính và với máy quét
laser kiểm tra độ chính xác gia công
5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
* Ý nghĩa khoa học:
- Luận văn xây dựng quy trình ứng dụng kỹ thuật ngược trong thiết kế, kiểm tra
mẫu có bề mặt tự do

- Tìm hiểu ứng dụng phần mềm Rapidform XOR trong kỹ thuật ngược, luận văn
trình bày được các ứng dụng cơ bản của phần mềm trong việc xử lý đám mây điểm
và thiết kế lại mô hình CAD từ dữ liệu đám mây điểm
* Ý nghĩa thực tiễn:
- Nâng cao khả năng mô hình hóa, thiết kế lại bằng phần mềm Rapidform XOR
- Kỹ thuật ngược dùng kiểm tra chất lượng chế tạo sản phẩm với các chi tiết cơ khí
cấu thành từ các bề mặt tự do như: cánh quạt, cánh turbine… rất khó có thể kiểm tra
bằng các dụng cụ thông thường như thước cặp, thước đo góc… Việc ứng dụng máy
quét và phần mềm kỹ thuật ngược là một giải pháp thích hợp để kiểm tra sản phẩm
một cách nhanh chóng và hiệu quả
- Ứng dụng kỹ thuật ngược trong lĩnh vực cơ khí mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ
thuật to lớn, rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm

2


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT NGƯỢC
1.1. Giới thiệu về kỹ thuật ngược
Từ những năm 1990, kỹ thuật thiết kế ngược đã được nghiên cứu áp dụng trong
lĩnh vực phát triển sản phẩm, đặc biệt là lĩnh vực thiết kế các mô hình 3D từ mô
hình đã có với sự trợ giúp của máy tính. Kỹ thuật thiết kế ngược ngày càng được
phát triển theo sự phát triển của máy quét hình, máy đo 3 chiều và các phần mềm
CAD/CAM
Có thể so sánh hai quá trình kỹ thuật ngược và kỹ thuật thuận như sau:

Hình 1.1: So sánh kỹ thuật thuận và kỹ thuật ngược
Bản chất của kỹ thuật ngược này là sử dụng các thiết bị quét 3D kết hợp với phần
mềm thích hợp để tái tạo lại bản vẽ thiết kế dưới dạng số hóa của một số sản phẩm

3


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

có sẵn để tối ưu hóa dữ liệu, xây dựng chỉnh sửa mô hình CAD và sử dụng dữ liệu
CAD đó để chế tạo ra bản sao bằng gia công CNC, tạo mẫu nhanh…
Trong công nghệ gia công truyền thống, để chế tạo ra sản phẩm từ ý tưởng hoặc
nhu cầu sản xuất, người ta thiết kế mô hình CAD, phác thảo sản phẩm, tính toán
thiết kế, chế thử, đưa ra phương án tối ưu, rồi gia công trên máy công cụ.
Trong vài chục năm gần đây, xuất hiện dạng sản xuất theo chu trình mới, chế tạo
sản phẩm theo sản phẩm có sẵn, nhiều khi người ta cần chế tạo ra các mẫu có sẵn
mà chưa (hoặc không) có mô hình CAD tương ứng như một số loại sản phẩm:
- Các sản phẩm đồ cổ
- Những chi tiết đã ngừng sản xuất từ lâu
- Những chi tiết không rõ xuất xứ, tài liệu thiết kế của sản phẩm gốc không còn
- Những tác phẩm điêu khắc
- Những chi tiết phức tạp
- Các bộ phận cơ thể con người và động vật dùng trong kỹ thuật cấy ghép
Để tạo được mẫu của những sản phẩm này, trước đây người ta đo đạc trực tiếp từ
sản phẩm rồi vẽ phác lại 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 phức tạp.
Ngày nay người ta đã sử dụng máy đo 3 chiều CMM hoặc máy quét hình để quét
hình dáng của những chi tiết. Sau khi quét hình đều cho dữ liệu là đám mây điểm,
nhờ phần mềm CAD/CAM chuyên dụng để xử lý dữ liệu quét và phải chuyển sang
dạng lưới tam giác để xây dựng mô hình bề mặt, và cuối cùng tạo ra được mô hình
CAD 3D dưới dạng khối (Solid) hoặc dạng bề mặt (Surface) với độ chính xác cao.
Mô hình 3D này có thể chỉnh sửa lại kết cầu theo ý muốn nếu cần

Ngoài việc chế tạo các chi tiết khác nhau, kỹ thuật ngược còn có một số ứng dụng
sau đây:
- Kỹ thuật ngược còn được ứng dụng để kiểm tra chất lượng chế tạo sản phẩm bằng
cách so sánh dữ liệu đo, số hóa bề mặt sản phẩm chế tạo với mô hình CAD thiết kế.
Với các chi tiết cơ khí cấu thành từ các bề mặt tự do như: cánh quạt, cánh turbine…

4


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

rất khó có thể kiểm tra bằng các dụng cụ thông thường như thước cặp, thước đo
góc… Việc ứng dụng máy quét và phần mềm kỹ thuật ngược là một giải pháp thích
hợp để kiểm tra sản phẩm một cách nhanh chóng và hiệu quả
- Mô hình CAD được sử dụng như mô hình trung gian trong quá trình thiết kế bằng
cách tạo sản phẩm thủ công trên đất sét, thạch cao, sáp…rồi sau đó quét hình để tạo
thành mô hình CAD, mô hình này có thể thiết kế chỉnh sửa theo ý muốn.
Như vậy, công nghệ kỹ thuật ngược tạo ra các mẫu sản phẩm cho trước, có thể tạo
ra một cách nguyên vẹn hoặc phát triển từ sản phẩm ban đầu
1.2. Phạm vi ứng dụng của kỹ thuật ngược
Hiện nay đã có rất nhiều các doanh nghiệp đã ứng dụng thành công hướng sản xuất
này. Đặc biệt điển hình là nước Trung Quốc, với rất nhiều sản phẩm mẫu mã sản
xuất với hình dáng sao chép từ các mẫu: xe máy, ô tô, đồ gia dụng… có sẵn trên các
thị trường .
Kỹ thuật ngược được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều các lĩnh vực như
- Lĩnh vực cơ khí: thiết kế sản xuất ra sản phẩm cơ khí từ các sản phẩm cơ khí
cho trước
- Lĩnh vực y học với các thiết bị y tế như: chân tay giả…cho người khuyết tật
- Lĩnh vực xây dựng: các kiểu kiến trúc nhà cần sửa lại, một số chi tiết hoa văn cần
phải quét và dựng lại

- Lĩnh vực nghệ thuật: với nhu cầu chế tạo các sản phẩm điêu khắc…
1.3 Ưu nhược điểm của kỹ thuật ngược
* Ưu điểm
- Rút ngắn được thời gian chế tạo, mang lại năng suất cao trong sản xuất
- Từ mô hình CAD từ công nghệ này, có thế chỉnh sửa, thiết kế theo ý muốn một
cách linh hoạt, mà trước đây chúng ta cần phải tạo mô hình mẫu thử từ đất sét,
thạch cao…
- Có thể kiểm tra nhanh chóng chất lượng sản phẩm thông qua mô hình CAD ban
đầu và máy Scan
- Dễ dàng tái tạo lại nhiều mô hình mà không cần có bản vẽ CAD

5


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

* Nhược điểm
- Giá thành quét mẫu và thiết kế cao
- Thiết bị máy quét với giá thành cao
1.4. Các giai đoạn của kỹ thuật ngược
Kỹ thuật ngược được chia làm 2 giai đoạn
- Giai đoạn thu nhận dữ liệu
- Giai đoạn xử lý, ứng dụng dữ liệu
Quá trình thực hiện có thể tổng quát bằng sơ đồ sau:

Hình 1.2: Sơ đồ các giai đoạn của kỹ thuật ngược
* Giai đoạn thu nhận dữ liệu ( giai đoạn dùng máy quét hình )

6

LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

Dùng máy chuyên dùng hoặc sử dụng chức năng đo trên máy công cụ CNC. Có thể
dùng máy quét dạng tiếp xúc hoặc máy quét không tiếp xúc
* Giai đoạn xử lý ứng dụng dữ liệu:
- Xử lý điểm: Thông thường được thực hiện một cách tự động trên phần mềm hỗ trợ
thiết kế ngược. Tiếp theo cần loại bỏ các dữ liệu không cần quan tâm như các vùng
không cần thiết, các vùng dữ liệu tạp chất bị nhiễu do quá trình quét ( chế độ ánh
sáng, các thiết bị gá đặt chi tiết …). Các vùng gối đè lên nhau sẽ có những điểm cần
loại bỏ
- Loại bỏ các điểm không cần thiết: Việc này giúp làm giảm dung lượng của tệp tin
dữ liệu, làm giảm mật độ điểm trên đám mây điểm. Các tập điểm cần thiết để định
nghĩa bề mặt vẫn được tồn tại
- Xây dựng đám mây điểm thành dạng lưới tam giác: Một mạng lưới tam giác được
tạo ra giữa các điểm. Nếu hiện thị dạng đám mây điểm thì sẽ khó hình dung về cấu
trúc vật thể. Dạng lưới tam giác hiện thị một cách rõ ràng cấu trúc vật thể, hỗ trợ
cho thao tác trên phần mềm thiết kế
KẾT LUẬN
Trong chương này, tác giả đã trình bài tổng quan chung của kỹ thuật ngược; ưu
nhược điểm và phạm vi ứng dụng của kỹ thuật ngược. Bên cạnh đó tác giả trình bày
quy trình của kỹ thuật ngược gồm 2 giai đoạn chính: giai đoạn thu nhận dữ liệu và
giai đoạn xử lý dữ liệu. Chương này là cơ sở để thực hiện nghiên cứu các chương
tiếp theo.

7


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

CHƯƠNG II.
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO, QUÉT DỮ LIỆU VÀ MÁY SCAN 3D
Căn cứ vào phương pháp đo dữ liệu, phân loại thành 2 phương pháp đo:
- Phương pháp đo tiếp xúc
- Phương pháp đo không tiếp xúc
2.1. Phương pháp đo tiếp xúc
Phương pháp đo tiếp xúc: dùng đầu đo, tiếp xúc trực tiếp với bề mặt của chi tiết.
Với các vị trí tiếp xúc đã lập trình trước hoặc điều khiển bằng tay và được liên tục
ghi lại các vị trí tọa độ nhận được
Đây là phương pháp đo các thông số theo phương pháp tọa độ và dùng các máy đo
tọa độ 3 chiều ( CMM_ Coordinate Mesuring Machine )
Máy đo toạ độ thường là các máy đo các 3 phương chuyển vị đo X, Y, Z. Cấu hình
vật lý của máy đo CMM kiểu tiếp xúc khá đa dạng nhưng chúng đều có điểm chung
là cung cấp các chuyển động tương đối cho đầu đo theo 3 trục đối với chi tiết.
Có hai loại máy đo dạng này:
+ Máy đo với đầu đo được chỉ dẫn bằng tay
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 với đầu đo được lập trình bằng chương trình số

Máy đo tọa độ CMM

Đầu đo bằng tay

Đầu đo CNC

Hình 2.1: Máy đo và đầu đo dùng trong phương pháp đo tiếp xúc

8

LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

* Ưu điểm:
- Độ chính xác đo khá cao, độ chính xác 0.1 micromet _ 0.5 micromet
- Sử dụng đầu đo linh hoạt, phù hợp với các chi tiết cần đo
- Kết quả đo thuận lợi cho quá trình thiết kế các bề mặt chi tiết, do kết quả đo có
hướng và là tập hợp lên các đương curve
* Nhược điểm:
- Tốc độ đo không cao: quá trình đo tốn nhiều thời gian đối với các chi tiết có bề
mặt phức tạp. Tốc độ đo khoảng 10 – 1000 điểm/ phút, chậm hơn rất nhiều so với
công nghệ đo không tiếp xúc
- Phương pháp này dùng đầu đo, do đó với các vị trí rãnh hẹp hơn bán kính đầu đo,
hoặc các cạnh sắc của chi tiết thì phương pháp này gặp khó khăn và kết quả không
chính xác
2.2. Phương pháp đo không tiếp xúc
Trong phương pháp này, thiết bị đo sử dụng các tia quang học, âm thanh hay từ
trường để thu nhận dữ liệu. Phương pháp này thu nhận dữ liệu bằng các vùng dữ
liệu. Trong khi phương pháp đo tiếp xúc thu nhận dữ liệu theo từng dòng điểm và
thậm chí là thu nhận một điểm trong một lần quét
Phương pháp này có thể sử dụng ở phạm vi rộng nhất và quá trình thu nhận dữ liệu
nhanh nhất. Ánh sáng sử dụng có thể là một nguồn ánh sáng năng lượng cao hay một
laser để thu nhận dữ liệu bề mặt. Quá trình thu nhận dữ liệu của phương pháp này
diễn ra khi có sự tiếp xúc giữa đối tượng và tia dùng để quét (ánh sáng, tia laser,…)
* Ưu điểm:
- Thời gian hoàn thiện quá trình quét mẫu nhanh
- Không ảnh hưởng đến vật mẫu cần đo, ví dụ như vật mẫu làm bằng các chất liệu
mềm, đảm bảo được tính toàn vẹn của mẫu quét
* Nhược điểm:
Phương pháp này có giá thành cao, do thiết bị máy móc hiện đại

2.3. Máy quét mẫu 3D laser

2.3.1. Giới thiệu chung về máy Scan Laser

9


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

Đây là một trong các thiết bị đo không tiếp xúc (sử dụng tia công nghệ Scan laser).
Trong quá trình đo máy sử dụng chùm ánh sáng Laser chiếu vào bề mặt của chi tiết
cần đo, chùm tia sáng được phản xạ lại từ bề mặt chi tiết được cảm ứng đo thu lại
đưa vào bộ phận biến đổi của máy đo và với sự hỗ trợ của máy tính và phần mềm
điều khiển đo cho ra kết quả của chi tiết đo dưới dạng đám mây điểm.
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất máy Scan Laser như: Faro Arm,
Metris, Konika… Mỗi hãng có phần mềm Scan khác nhau, đưa ra độ chính xác
khác nhau và sử dụng tia sáng Laser có bước sóng khác nhau như Konika sử dụng
ánh sáng Laser cấp I còn Faro Arm lại sử dụng ánh sáng Laser cấp II ( Độ an toàn
của laser được xếp từ I đến IV. Với cấp I, tia laser tương đối an toàn. Với cấp IV,
thậm chí chùm tia phân kỳ có thể làm hỏng mắt hay bỏng da … Nhưng về nguyên lí
cơ bản đều giống nhau.
- Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý máy Scan 3D
- Nguyên lý làm việc
1.Đèn phát Laser: có nhiệm vụ phát ra ánh sáng Laser có bước sóng thích hợp.
2.Thấu kính: có nhiệm vụ lọc và hội tụ tia Laser được phản xạ lại từ bề mặt của
chi tiết lên bề mặt của cảm biến CCD.
3.Cảm biến CCD (Charge Couple Device): Có nhiệm vụ thu nhận tia laser được
phản xạ từ bề mặt chi tiết trên cơ sở so sánh các góc lệch giữa chúng và đưa ra tín

hiệu điện khác nhau.
4.Xử lí của phần mềm máy tính: Máy tính với sự hỗ trợ của phần mềm máy tính
có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu điện từ CCD gửi tới và xử lí tín hiệu đó để đưa ra kết
quả là đám mây điểm.

10


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

Hình 2.3. Nguyên lý làm việc máy Scan 3D
5.Chỉ thị: Đưa ra kết quả đo chi tiết được xử lí từ máy tính là đám mây điểm.
Thực chất về nguyên lý của scan laser giống như quá trình chụp ảnh thông
thường, nhưng chụp ảnh của scan laser là quá trình chụp ảnh các vật thể ở dạng ảnh
3 chiều trong khi đó nếu là chụp ảnh thông thường thì chỉ là ảnh 2 chiều. Scan laser
sử dụng cảm biến Laser và gán vào một hệ thống máy đo, hệ thống này được định
vị và được kiểm soát bằng máy tính, các máy đo dùng trong scan laser là các máy
đo có thể được gán với máy CNC từ 3 đến 5 trục có kích thước tương đối lớn kết
cấu khá vững chắc hoặc có thể là mô hình máy xách tay rất nhỏ gọn.

Đầu quét 3D lắp trên máy Đầu quét 3D lắp trên cánh Scan 3D Vivid 9i
tay robot
đo CMM
Hình 2.4. Hình ảnh một số máy quét Laser

11


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

Vật cần đo được đặt trực tiếp trên bàn hoặc được treo cố định hoặc cũng có thể có
vị trí bất kỳ trong không gian như các tượng đài, nhà cửa… mà không phải gá đặt
phức tạp như các loại máy đo CMM thông thường (máy đo có tiếp xúc), đây là một
lợi thế nổi trội của scan laser. Với sự hỗ trợ của phần mềm kiểm soát quét sẽ lái cảm
biến laser lướt trên bề mặt của vật cần quét, bộ phận định vị 3D nằm trên bề mặt của
bộ cảm biến sẽ ghi lại các tín hiệu phản hồi được đưa ra bởi hệ thống quét theo góc
phản xạ của chùm ánh sáng được bề mặt của chi tiết phản xạ lại và tín hiệu này
được so sánh với tham số mẫu từ đó đưa ra cho ta kết quả đo là đám mây điểm.

2.3.2 Phạm vi ứng dụng
Máy quét 3D là thiết bị di động có khả năng quét được nhiều bề mặt khác nhau.
Người sử dụng dễ dàng thay đổi thể tích đo để tăng độ phân giải của dữ liệu quét
hoặc tăng khả năng đo của hệ thống. Nhờ tính linh hoạt này, có thể quét được
những sản phẩm nhỏ như các chi tiết khuôn mẫu hay sản phẩm lớn như tổng thể
một chiếc máy bay, ô tô...
+ Các sản phẩm nhỏ
Dữ liệu scan có độ phân giải rất cao cho phép đo chính xác kể cả chi tiết rất nhỏ.
Mặt dưới của sản phẩm không phải là vấn đề lớn, bởi vì phần mềm có tính năng
ghép nối nhiều phần dữ liệu của sản phẩm để có được dữ liệu trọn vẹn của sản
phẩm.
+ Các sản phẩm lớn
Khi đo các sản phẩm lớn, máy Scan được đặt trên giá đỡ di động hoặc gắn trên tay
rô bốt để dễ dàng di chuyển trong toàn bộ không gian đo.

2.3.3. Ưu, nhược điểm của máy quét hình Scan laser
* Ưu điểm:
- Kết cấu nhỏ gọn: Máy Scan laser kết cấu nhỏ gọn hơn nhiều so với máy đo CMM
có thể có mô hình xách tay như hình trên.
- Gá đặt đơn giản: Khi Scan laser thì chi tiết cần Scan không cần phải gá đặt cầu kì
mà có thể được đặt trên bàn hoặc có một vị trí bất kì trong không gian vì khi đo

12


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

dụng cụ đo không tiếp xúc vào vật đo hơn nữa máy đo tự điều chỉnh tiêu cự của
thấu kính cho phù hợp với khoảng cách thay đổi tương đối giữa máy đo và vật được
đo.
- Cho ra kết quả nhanh: Máy Scan Laser cho ra kết quả nhanh hơn rất nhiều so với
Máy CMM.
- Rễ dàng xử lí kết quả: Cho ra kết quả là đám mây điểm rất rễ dàng xử lí trên các
phần mềm xử lý điểm chuyên dụng như: Rapid Form XOR, Geomegic, Catia…
- Đo được nhiều những vật có độ phức tạp mà máy đo thông thường không thể đo
được.
- Độ phân giải cao: Độ phân giải của Scan laser cao hơn rất nhiều máy đo CMM.
CMM chỉ chính xác được một số giới hạn các vị trí có được gần đầu đo nhưng
không thể chính xác và đầy đủ toàn bộ sản phẩm. Vì vậy Scan Laser cho ra được số
liệu bề mặt đầy đủ hơn số liệu mặt cắt của CMM.
- Quét được nhiều kích thước sản phẩm khác nhau như toà nhà, tượng đài…
- Có thể quét được các mẫu dạng mềm như xà phòng, đất nặn…
- Có thể kiểm tra các bề mặt và so sánh với các điểm.
* Nhược điểm:
- Trước khi đo những bề mặt có mầu không phản quang ( ví dụ màu Đen) phải sơn
lại màu cho chi tiết đo nên có thể làm ảnh hưởng đến những chi tiết mẫu có yêu cầu
cao thẩm mĩ về mầu sắc.
- Mặc dù được sử dụng rất nhiều cho các ứng dụng đo, kiểm tra nhưng scan Laser
không thể đo chính xác từng micromet như máy đo CMM.
2.4. Tìm hiểu và sử dụng các chức năng cơ bản của máy Scan 3D ViVid 9i

2.4.1 Các thiết bị của máy Scan 3D Vivid - 9i
Máy Scan 3D ViVid 9i là một trong các thiết bị đo không tiếp xúc, sử dụng tia công
nghệ scan laser của hãng Konica Minolta
Đặc tính kỹ thuật của máy Scan 3D ViVid 9i như sau:
Khoảng cách tới đối tượng 0.6 m – 2.5 m
Phạm vi quét: 0,6 - 1m (trong chế độ tiêu chuẩn), 0,5 - 2,5m (trong chế độ mở rộng)

13


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

Độ chính xác ± 0.05 mm
Thời gian mỗi lần quét 2.5 giây
Thời gian chuyển đổi để lưu dữ liệu trên máy tính khoảng 1.5 giây
Số điểm khi quét mẫu 307000 points/2.5 giây
* Cấu hình hệ thống:

Hình 2.5 Sơ đồ cấu hình hệ thống máy Scan 3D ViVid 9i
1. Thân máy Scan 3D - Vivid 9i.
2. Các ống kính đi kèm.
3. Bộ hiệu chỉnh khoảng cách làm việc.
4. Giá 3 chân.
5. Máy tính.
6. Bàn xoay.

14