Áp dụng công nghệ thiết kế ngược reverse engineering trên máy công cụ CNC 3 trục

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

ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ NGƯỢC REVERSE ENGINEERING
TRÊN MÁY CÔNG CỤ CNC 3 TRỤC

CHUYÊN NGÀNH : CƠ ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

Hà Nội – Năm 2011


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được luận văn này, ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản
thân, tôi đã nhận được sự ủng hộ, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của các thầy
cô giáo, gia đình và bạn bè.
Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Thị Hồng Minh
- Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tận tình định hướng,
truyền cho tôi niềm đam mê nghiên cứu trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, cán bộ nghiên cứu, nghiên
cứu sinh, học viên đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong

quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới gia đình, bạn bè
và người thân đã động viên, khuyến khích giúp tôi vượt qua những khó khăn
trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn.
Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2011
Học viên

Đặng Thị Bốn

Học viên: Đặng Thị Bốn

2

Chuyên ngành: Cơ điện tử


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... 5 
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................... 6 
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. ..................................................................... 7 
PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................... 16 
Chương 1. LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ...................................................... 19 
1.1.Vai trò của thiết kế ngược ................................................................. 19 
1.1.1. Thiết kế ngược là gì?................................................................. 19 

1.1.2. Tại sao phải thiết kế ngược. ...................................................... 20 
1.1.3 Một số ứng dụng thiết kế ngược ................................................ 21 
1.1.3.1 Sự ứng dụng thiết kế ngược trong tạo mẫu nhanh. ............. 21 
1.1.3.2 Kỹ thuật ngược trong ứng dụng kỹ thuật quân sự. ............. 21 
1.2. Các bước của thiết kế ngược. ........................................................... 22 
1.2.1. Quy trình kỹ thuật ngược .......................................................... 26 
1.2.1.1. Giai đoạn quét hình. ........................................................... 26 
1.2.1.2. Xử lý các dữ liệu thu đuợc ................................................. 26 
1.2.1.3. Giai đoạn xây dựng mặt. .................................................... 27 
1.2.1.4. Tạo mẫu. ............................................................................. 28 
1.2.2. Các loại Máy quét. .................................................................... 28 
1.2.2.1. Hệ thống máy đo toạ độ CMM. ......................................... 29 
1.2.2.2. Máy quét Laser................................................................... 30 
1.2.2.3. Máy quét dùng ánh sáng trắng. .......................................... 31 
1.2.2.4. Đầu dò tích hợp trên máy CNC ......................................... 32 
1.3.Tồn tại trong thiết kế ngược .............................................................. 36 
1.4. Đề xuất giải pháp. ............................................................................ 36 
Chương 2. THIẾT KẾ NGƯỢC SỬ DỤNG DỮ LIỆU ĐO DÒ TỪ MÁY
CNC ............................................................................................................. 37 
2.1. Xử lý dữ liệu đo dò. ......................................................................... 37 
2.1.1 Phương pháp sử dụng đầu dò để đo quét. .................................. 37 
2.1.1.1.Thiết lập các thông số máy để bộ điều khiển nhận biết thiết
bị đang sử dụng là đầu dò TS640 .................................................... 37 
2.1.1.2.Thiết lập chế độ hoạt động của các chu trình dò ................ 38 
2.1.2. Yêu cầu của việc lập trình điều khiển đầu dò trên máy phay
CNC ba trục......................................................................................... 39 
2.1.2.1. Yêu cầu chung .................................................................... 39 
2.1.2.2.Yêu cầu kỹ thuật. ................................................................ 39 
2.1.3. Lọc dữ liệu điểm ....................................................................... 41 
2.1.3.1. Mục đích của lọc dữ liệu điểm. .......................................... 41 

2.1.3.2. Đặc điểm của bộ lọc dữ liệu điểm. .................................... 42 
2.2. Thiết kế bề mặt sử dụng dữ liệu đo dò. ............................................ 52 
Học viên: Đặng Thị Bốn

3

Chuyên ngành: Cơ điện tử


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

2.2.1. Các phương pháp thiết kế sử dụng bộ dữ liệu điểm đo. ........... 52 
2.2.1.1 Thiết kế các mặt cong dựa trên Bezier và B-Spline. .......... 52 
2.2.1.2. Bề mặt Loft. ....................................................................... 54 
2.2.1.3. Tam giác hoá bề mặt .......................................................... 55 
2.2.2. Cụ thể hoá thuật toán thiết kế dùng STL. ................................. 56 
Chương 3. TRIỂN KHAI THUẬT TOÁN VÀ KẾT QUẢ ........................ 66 
3.1. Lưu đồ thuật toán. ............................................................................ 66 
3.1.1. Lưu đồ thuật toán lọc dữ liệu điểm. .......................................... 66 
3.1.2. Lưu đồ thuật toán xây dựng bề mặt STL .................................. 68 
3.1.3. Lưu đồ thuật toán đánh giá sai số khi xây dựng bề mặt ........... 69 
3.2. Thực nghiệm. ................................................................................... 70 
3.2.1. Chọn mẫu thực nghiệm. ............................................................ 70 
3.2.2. Lập trình đo dò trên máy CNC.Máy Heidenhain TNC............. 72 
3.2.3. Thực nghiệm lọc dữ liệu điểm. ................................................. 74 
3.2.3.1. Bộ dữ liệu điểm đo được khi chưa lọc (dữ liệu điểm thô) . 74 
3.2.3.2. Phương pháp Lọc theo slope – base................................... 76 
3.2.4. Xây dựng bề mặt. ...................................................................... 90 

3.2.5. Lập trình gia công mô phỏng trên phầm mềm mastercam X ... 92 
3.2.6. Gia công trên máy trung tâm gia công CNC. ........................... 94 
Chương 4. KẾT LUẬN ............................................................................... 95 
4.1. Tóm tắt kết quả................................................................................. 95 
4.2 Đánh giá. ........................................................................................... 96 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 98 

Học viên: Đặng Thị Bốn

4

Chuyên ngành: Cơ điện tử


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Đặng Thị Bốn xin cam đoan nội dung trong quyển luận văn này với đề
tài “áp dụng công nghệ thiết kế ngược reverse engineering trên máy công cụ
CNC” là công trình nghiên cứu và sáng tạo do chính tôi thực hiện với sự hướng dẫn
tận tình của TS. Nguyễn Thị Hồng Minh – Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách
khoa Hà nội
Ngày 26/09/2011

Đặng Thị Bốn

Học viên: Đặng Thị Bốn

5

Chuyên ngành: Cơ điện tử


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CMM

Coordinate Measuring Machine

Máy đo toạ độ 3 chiều.

RE

Reverse engineering

Kỹ thuật tái tạo ngược.

RP

Rapid Prototyping

Tạo mẫu nhanh.

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.

CAE

Computer Aided Engineering

Công nghệ trợ giúp của máy tính.

NC

Numerical Control

Điều khiển số.

ISO

International Standards Organization

Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế.

DNC

DNC Direct Numerical Control

Điều khiển số trực tiếp.

STL

Standard Template Library

Thư viện mã chuẩn.

3D

3 Dimensions

3 chiều.

Học viên: Đặng Thị Bốn

6

Chuyên ngành: Cơ điện tử

Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.
Hình 1.1.

Đo dò mô hình ô tô và mô hình mặt người

Hình 1.2.

Ứng dụng thiết kế ngược trong các lĩnh vực của đời sống

Hình 1.3.

Biểu đồ các quá trình hoạt động của hệ thống

Hình 1.4

Vị trí cấu hình của ba máy quét (R = 1040 mm, j = 95°)

Hình 1.5

Quá trình tam giác hóa đối với tập hợp điểm đầu vào

Hình 1.6.

Hợp nhất hai lưới tam giác

Hình 1.7

Vá lỗ thủng từ lưới các tam giác

Hình 1. 8

Quét hình đầu người

Hình 1. 9.

Quy trình thiết kế ngược

Hình 1.11.

Hệ thống máy đo tọa độ CMM

Hình 1.12.

Đầnu dò sử dụng trên máy CMM

Hình 1.13.

Máy scaner 3D

Hình 1.14.

Nguyên lý scan 3D cho đối tượng

Hình 1.15.

Máy quét sử dụng ánh sáng trắng

Hình 1.16.

Hình ảnh đầu dò

Hình 1.17.

Cấu tạo chung của đầu dò

Hình 1.18.

Hệ thống truyền dẫn tín hiệu

Hình 1.19.

Tích hợp đầu dò trên máy tiện

Hình 1.20.

Tích hợp đầu dò trên máy phay

Hình 1.21.

Quá trình đo dò trên sản phẩm

Hình 2.1.

Sơ đồ kết nối đầu dò tới bộ điều khiển và máy CNC

Hình 2.2.

Chu trình 427

Hình 2.3.

Sơ đồ khối biểu diễn đầu dò

Hình 2.4.

Biểu diễn các giá trị lọc theo phương pháp slope base

Hình 2.5.

Biểu diễn các giá trị lọc theo phương pháp slope base (theo góc α)

Hình 2.6.

Biểu diễn các giá trị lọc theo phương pháp slope base (chiều cao trung bình)

Hình 2.7.

Biểu diễn các giá trị lọc theo phương pháp slope base(kết hợp)

Học viên: Đặng Thị Bốn

7

Chuyên ngành: Cơ điện tử

Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

Hình 2.8.

Biểu diễn các lỗi trong quá trình lọc

Hình 2.9.

Biểu diễn quá trình lọc sau khi lọc và rút gọn.

Hình 2.10.

Biểu diễn các quy trình lọc khác nhau

Hình 2.11.

Biểu diễn kết quả khi thực hiện theo 4 quy trình lọc theo kiểu

Hình 2.12.

Biểu diễn kết quả khi thực hiện theo 4 quy trình lọc theo kiểu II

Hình 2.13.

Minh họa hai mảnh Bezier dán lại với nhau

Hình 2.14.

Bề mặt được tạo bằng phương pháp loft.

Hình 2.15.

Quá trình tam giác hóa đối với tập hợp điểm đầu vào

Hình 2.16.

Hợp nhất hai lưới tam giác

Hình 2.17.

Lưới tam giác Delaunay cùng sơ đồ Voronoi.

Hình 2.18.

Phép đảo cạnh (flip edge)

Hình2.19.

Kiểm tra điều kiện Delaunay dựa trên tổng hai góc đối diện

Hình 2.20.

Các trường hợp phân rã thành các tam giác con

Hình 2.21.

Biểu diễn sai số trên mặt phẳng khác nhau

Hình 2.22.

Các loại sai số

Hình 2.23.

Sơ đồ khối của module xác định sai số

Hình 2.24

Minh họa quá trình đo thực tế

Hình 3.1.

Lưu đồ thuật toán lọc

Hình 3.2.

Lưu đồ thuật toán xây dựng bề mặt STL

Hình 3.3.

Lưu đồ thuật toán đánh giá sai số khi xây dựng bề mặt

Hình 3.4.

Các sản phẩm mẫu

Hình 3.5.

Đầu dò được lắp trên trục chính máy CNC

Hình 3.6.

Quá trình đo dò trên máy CNC

Hình 3.7.

Trung tâm gia công CNC DMC 1035 V

Hình 3.8.

Bộ dữ liệu điểm của mặt phẳng khi chưa lọc.

Hình 3.9.

Bộ dữ liệu điểm của các bề mặt tròn xoay khi chưa lọc.

Hình 3.10.

Bộ dữ liệu điểm của các bề mặt lồi lõm khi chưa lọc.

Hình 3.11.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt phẳng lọc theo chiều cao h. ( ε =0)

Hình 3.12.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt phẳng lọc theo chiều cao h. ( ε =0.1)

Học viên: Đặng Thị Bốn

8

Chuyên ngành: Cơ điện tử


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

Hình 3.13.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt phẳng lọc theo chiều cao h. ( ε =0.1)

Hình 3.14.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay theo chiều cao h. ( ε =1)

Hình 3.15.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay theo chiều cao h. ( ε =2)

Hình 3.16.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay theo chiều cao h. ( ε =3)

Hình 3.17.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt lồi lõm theo chiều cao h. ( ε =1).

Hình 3.18.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay theo chiều cao h. ( ε =2)

Hình 3.19.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt lồi lõm theo chiều cao h. ( ε =3)

Hình 3.20.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay được lọc theo góc α.

Hình 3.21.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt lồi lõm được lọc theo góc α.

Hình 3.22.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt vuông phẳng được lọc theo góc α.

Hình 3.23.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt phẳng được lọc theo sự kết hợp ( ε = 0).

Hình 3.24.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt phẳng được lọc theo sự kết hợp ( ε = 0.2).

Hình 3.25.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt phẳng được lọc theo sự kết hợp ( ε = 0.5).

Hình 3.26.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt phẳng được lọc theo sự kết hợp ( ε = 2).

Hình 3.27.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay được lọc theo sự kết hợp ( ε = 0).

Hình 3.28.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay được lọc theo sự kết hợp ( ε = 0.2).

Hình 3.29.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay được lọc theo sự kết hợp ( ε = 3).

Hình 3.30.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay được lọc theo sự kết hợp( ε = 5).

Hình 3.31.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt lồi lõm được lọc theo sự kết hợp ( ε = 0).

Hình 3.32.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt lồi lõm được lọc theo sự kết hợp ( ε = 0.2).

Hình 3.33.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt lồi lõm được lọc theo sự kết hợp ( ε = 0.3).

Hình 3.34.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt lồi lõm được lọc theo sự kết hợp ( ε = 6).

Hình 3.35.

Dữ liệu điểm trong phần mềm meshlab.

Hình 3.36.

Quá trình xử lý dữ liệu điểm trong phần mềm meshlab.

Hình 3.37.

Tạo thành lưới tam giác STL và dạng bề mặt.

Hình 3.38.

Hình ảnh file Dư lieu do. STL trong Mastercam X.

Hình 3.39.

Lập trình gia công trong Mastercam X.

Hình 3.40.

Mô phỏng quá trình gia công trong Mastercam X.

Hình 3.41.

File Dư lieu do xuất sang mã G – code.

Học viên: Đặng Thị Bốn

9

Chuyên ngành: Cơ điện tử


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

Hình 3.42.

Thực hiện gia công trên trung tâm gia công CNC DMC 1035 V

Hình 1.1.

Đo dò mô hình ô tô và mô hình mặt người

Hình 1.2.

Ứng dụng thiết kế ngược trong các lĩnh vực của đời sống

Hình 1.3.

Biểu đồ các quá trình hoạt động của hệ thống

Hình 1.4

Vị trí cấu hình của ba máy quét (R = 1040 mm, j = 95°)

Hình 1.5

Quá trình tam giác hóa đối với tập hợp điểm đầu vào

Hình 1.6.

Hợp nhất hai lưới tam giác

Hình 1.7

Vá lỗ thủng từ lưới các tam giác

Hình 1. 8

Quét hình đầu người

Hình 1. 9.

Quy trình thiết kế ngược

Hình 1.11.

Hệ thống máy đo tọa độ CMM

Hình 1.12.

Đầnu dò sử dụng trên máy CMM

Hình 1.13.

Máy scaner 3D

Hình 1.14.

Nguyên lý scan 3D cho đối tượng

Hình 1.15.

Máy quét sử dụng ánh sáng trắng

Hình 1.16.

Hình ảnh đầu dò

Hình 1.17.

Cấu tạo chung của đầu dò

Hình 1.18.

Hệ thống truyền dẫn tín hiệu

Hình 1.19.

Tích hợp đầu dò trên máy tiện

Hình 1.20.

Tích hợp đầu dò trên máy phay

Hình 1.21.

Quá trình đo dò trên sản phẩm

Hình 2.1.

Sơ đồ kết nối đầu dò tới bộ điều khiển và máy CNC

Hình 2.2.

Chu trình 427

Hình 2.3.

Sơ đồ khối biểu diễn đầu dò

Hình 2.4.

Biểu diễn các giá trị lọc theo phương pháp slope base

Hình 2.5.

Biểu diễn các giá trị lọc theo phương pháp slope base (theo góc α)

Hình 2.6.

Biểu diễn các giá trị lọc theo phương pháp slope base (chiều cao trung bình)

Hình 2.7.

Biểu diễn các giá trị lọc theo phương pháp slope base(kết hợp)

Hình 2.8.

Biểu diễn các lỗi trong quá trình lọc

Học viên: Đặng Thị Bốn

10

Chuyên ngành: Cơ điện tử


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

Hình 2.9.

Biểu diễn quá trình lọc sau khi lọc và rút gọn.

Hình 2.10.

Biểu diễn các quy trình lọc khác nhau

Hình 2.11.

Biểu diễn kết quả khi thực hiện theo 4 quy trình lọc theo kiểu

Hình 2.12.

Biểu diễn kết quả khi thực hiện theo 4 quy trình lọc theo kiểu II

Hình 2.13.

Minh họa hai mảnh Bezier dán lại với nhau

Hình 2.14.

Bề mặt được tạo bằng phương pháp loft.

Hình 2.15.

Quá trình tam giác hóa đối với tập hợp điểm đầu vào

Hình 2.16.

Hợp nhất hai lưới tam giác

Hình 2.17.

Lưới tam giác Delaunay cùng sơ đồ Voronoi.

Hình 2.18.

Phép đảo cạnh (flip edge)

Hình2.19.

Kiểm tra điều kiện Delaunay dựa trên tổng hai góc đối diện

Hình 2.20.

Các trường hợp phân rã thành các tam giác con

Hình 2.21.

Biểu diễn sai số trên mặt phẳng khác nhau

Hình 2.22.

Các loại sai số

Hình 2.23.

Sơ đồ khối của module xác định sai số

Hình 2.24

Minh họa quá trình đo thực tế

Hình 3.1.

Lưu đồ thuật toán lọc

Hình 3.2.

Lưu đồ thuật toán xây dựng bề mặt STL

Hình 3.3.

Lưu đồ thuật toán đánh giá sai số khi xây dựng bề mặt

Hình 3.4.

Các sản phẩm mẫu

Hình 3.5.

Đầu dò được lắp trên trục chính máy CNC

Hình 3.6.

Quá trình đo dò trên máy CNC

Hình 3.7.

Trung tâm gia công CNC DMC 1035 V

Hình 3.8.

Thực hiện gia công trên trung tâm gia công CNC DMC 1035 V

Hình 3.9.

Bộ dữ liệu điểm của mặt phẳng khi chưa lọc.

Hình 3.10.

Bộ dữ liệu điểm của các bề mặt tròn xoay khi chưa lọc.

Hình 3.11.

Bộ dữ liệu điểm của các bề mặt lồi lõm khi chưa lọc.

Hình 3.12.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt phẳng lọc theo chiều cao h. ( ε =0)

Hình 3.13.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt phẳng lọc theo chiều cao h. ( ε =0.1)

Học viên: Đặng Thị Bốn

11

Chuyên ngành: Cơ điện tử


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

Hình 3.14.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt phẳng lọc theo chiều cao h. ( ε =0.1)

Hình 3.15.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay theo chiều cao h. ( ε =1)

Hình 3.16.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay theo chiều cao h. ( ε =2)

Hình 3.17.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay theo chiều cao h. ( ε =3)

Hình 3.18.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt lồi lõm theo chiều cao h. ( ε =1).

Hình 3.19.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay theo chiều cao h. ( ε =2)

Hình 3.20.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt lồi lõm theo chiều cao h. ( ε =3)

Hình 3.21.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay được lọc theo góc α.

Hình 3.22.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt lồi lõm được lọc theo góc α.

Hình 3.23.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt vuông phẳng được lọc theo góc α.

Hình 3.24.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt phẳng được lọc theo sự kết hợp ( ε = 0).

Hình 3.25.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt phẳng được lọc theo sự kết hợp ( ε = 0.2).

Hình 3.26.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt phẳng được lọc theo sự kết hợp ( ε = 0.5).

Hình 3.27.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt phẳng được lọc theo sự kết hợp ( ε = 2).

Hình 3.28.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay được lọc theo sự kết hợp ( ε = 0).

Hình 3.29.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay được lọc theo sự kết hợp ( ε = 0.2).

Hình 3.30.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay được lọc theo sự kết hợp ( ε = 3).

Hình 3.31.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay được lọc theo sự kết hợp( ε = 5).

Hình 3.32.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt lồi lõm được lọc theo sự kết hợp ( ε = 0).

Hình 3.33.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt lồi lõm được lọc theo sự kết hợp ( ε = 0.2).

Hình 3.34.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt lồi lõm được lọc theo sự kết hợp ( ε = 0.3).

Hình 3.35.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt lồi lõm được lọc theo sự kết hợp ( ε = 6).

Hình 3.36.

Dữ liệu điểm trong phần mềm meshlab.

Hình 3.37.

Quá trình xử lý dữ liệu điểm trong phần mềm meshlab.

Hình 3.38.

Tạo thành lưới tam giác STL và dạng bề mặt.

Hình 3.39.

Hình ảnh file Dư lieu do. STL trong Mastercam X.

Hình 3.40.

Lập trình gia công trong Mastercam X.

Hình 3.41.

Mô phỏng quá trình gia công trong Mastercam X.

Hình 3.42.

File Dư lieu do xuất sang mã G – code.

Học viên: Đặng Thị Bốn

12

Chuyên ngành: Cơ điện tử


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

Hình 1.1.

Đo dò mô hình ô tô và mô hình mặt người

Hình 1.2.

Ứng dụng thiết kế ngược trong các lĩnh vực của đời sống

Hình 1.3.

Biểu đồ các quá trình hoạt động của hệ thống

Hình 1.4

Vị trí cấu hình của ba máy quét (R = 1040 mm, j = 95°)

Hình 1.5

Quá trình tam giác hóa đối với tập hợp điểm đầu vào

Hình 1.6.

Hợp nhất hai lưới tam giác

Hình 1.7

Vá lỗ thủng từ lưới các tam giác

Hình 1. 8

Quét hình đầu người

Hình 1. 9.

Quy trình thiết kế ngược

Hình 1.11.

Hệ thống máy đo tọa độ CMM

Hình 1.12.

Đầnu dò sử dụng trên máy CMM

Hình 1.13.

Máy scaner 3D

Hình 1.14.

Nguyên lý scan 3D cho đối tượng

Hình 1.15.

Máy quét sử dụng ánh sáng trắng

Hình 1.16.

Hình ảnh đầu dò

Hình 1.17.

Cấu tạo chung của đầu dò

Hình 1.18.

Hệ thống truyền dẫn tín hiệu

Hình 1.19.

Tích hợp đầu dò trên máy tiện

Hình 1.20.

Tích hợp đầu dò trên máy phay

Hình 1.21.

Quá trình đo dò trên sản phẩm

Hình 2.1.

Sơ đồ kết nối đầu dò tới bộ điều khiển và máy CNC

Hình 2.2.

Chu trình 427

Hình 2.3.

Sơ đồ khối biểu diễn đầu dò

Hình 2.4.

Biểu diễn các giá trị lọc theo phương pháp slope base

Hình 2.5.

Biểu diễn các lỗi trong quá trình lọc

Hình 2.6.

Biểu diễn quá trình lọc sau khi lọc và rút gọn.

Hình 2.7.

Biểu diễn các quy trình lọc khác nhau

Hình 2.8.

Biểu diễn kết quả khi thực hiện theo 4 quy trình lọc theo kiểu

Hình 2.9.

Biểu diễn kết quả khi thực hiện theo 4 quy trình lọc theo kiểu II

Học viên: Đặng Thị Bốn

13

Chuyên ngành: Cơ điện tử


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

Hình 2.10.

Minh họa hai mảnh Bezier dán lại với nhau

Hình 2.11.

Bề mặt được tạo bằng phương pháp loft.

Hình 2.12.

Quá trình tam giác hóa đối với tập hợp điểm đầu vào

Hình 2.13.

Hợp nhất hai lưới tam giác

Hình 2.14.

Lưới tam giác Delaunay cùng sơ đồ Voronoi.

Hình 2.15.

Phép đảo cạnh (flip edge)

Hình 2.16.

Kiểm tra điều kiện Delaunay dựa trên tổng hai góc đối diện

Hình 2.17.

Các trường hợp phân rã thành các tam giác con

Hình 2.18.

Biểu diễn sai số trên mặt phẳng khác nhau

Hình2.19.

Các loại sai số

Hình 2.20.

Sơ đồ khối của module xác định sai số

Hình 2.21.

Minh họa quá trình đo thực tế

Hình 3.1.

Lưu đồ thuật toán lọc

Hình 3.2.

Lưu đồ thuật toán xây dựng bề mặt STL

Hình 3.3.

Lưu đồ thuật toán đánh giá sai số khi xây dựng bề mặt

Hình 3.4.

Các sản phẩm mẫu

Hình 3.5.

Đầu dò được lắp trên trục chính máy CNC

Hình 3.6.

Quá trình đo dò trên máy CNC

Hình 3.7.

Trung tâm gia công CNC DMC 1035 V

Hình 3.8.

Bộ dữ liệu điểm của mặt phẳng khi chưa lọc.

Hình 3.9.

Bộ dữ liệu điểm của các bề mặt tròn xoay khi chưa lọc.

Hình 3.10.

Bộ dữ liệu điểm của các bề mặt lồi lõm khi chưa lọc.

Hình 3.11.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt phẳng lọc theo chiều cao h. ( ε =0)

Hình 3.12.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt phẳng lọc theo chiều cao h. ( ε =1)

Hình 3.13.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay theo chiều cao h. ( ε =1)

Hình 3.14.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay theo chiều cao h. ( ε =1)

Hình 3.15.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay theo chiều cao h. ( ε =3)

Hình 3.16.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt lồi lõm theo chiều cao h. ( ε =3).

Hình 3.17.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay theo chiều cao h. ( ε =10)

Học viên: Đặng Thị Bốn

14

Chuyên ngành: Cơ điện tử


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

Hình 3.18.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt lồi lõm theo chiều cao h. ( ε =10)

Hình 3.19.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay được lọc theo góc α.

Hình 3.20.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt lồi lõm được lọc theo góc α.

Hình 3.21.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt vuông phẳng được lọc theo góc α.

Hình 3.22.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt phẳng được lọc theo sự kết hợp ( ε = 2).

Hình 3.23.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay được lọc theo sự kết hợp ( ε = 1).

Hình 3.24.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay được lọc theo sự kết hợp ( ε = 2).

Hình 3.25.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay được lọc theo sự kết hợp ( ε = 4).

Hình 3.26.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt tròn xoay được lọc theo sự kết hợp( ε = 10).

Hình 3.27.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt lồi lõm được lọc theo sự kết hợp ( ε = 1).

Hình 3.28.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt lồi lõm được lọc theo sự kết hợp ( ε = 3).

Hình 3.29.

Bộ dữ liệu điểm của bề mặt lồi lõm được lọc theo sự kết hợp ( ε = 6).

Hình 3.30.

Dữ liệu điểm trong phần mềm meshlab.

Hình 3.31.

Quá trình xử lý dữ liệu điểm trong phần mềm meshlab.

Hình 3.32.

Tạo thành lưới tam giác STL và dạng bề mặt.

Hình 3.33.

Hình ảnh file Dư lieu do. STL trong Mastercam X.

Hình 3.34.

Lập trình gia công trong Mastercam X.

Hình 3.35.

Mô phỏng quá trình gia công trong Mastercam X.

Hình 3.36.

File Dư lieu do xuất sang mã G – code.

Hình 3.37.

Thực hiện gia công trên trung tâm gia công CNC DMC 1035 V

Học viên: Đặng Thị Bốn

15

Chuyên ngành: Cơ điện tử


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

PHẦN MỞ ĐẦU
- Lý do chọn đề tài
Khi tiến hành gia công một sản phẩm nào đó trên máy CNC thường phải có
bản vẽ thiết kế của chi tiết và chương trình điều khiển gia công chi tiết đó. Đối với
những chi tiết đã có sẵn trên thị trường muốn chế tạo lại nhưng không sử dụng được

bản vẽ thiết kế của chúng thì cần phải có sự hỗ trợ của máy đo tọa độ CMM hoặc
máy quét laser. Tuy nhiên, kinh phí để trả cho quá trình đo quét chi tiết mẫu trên
máy CMM hoặc máy quét laser là rất lớn. Đầu dò được tích hợp trên máy CNC với
mục đích chính là kiểm tra tự động vị trí phôi và kích thước dụng cụ, nhằm tự động
hóa gia công chi tiết. Việc sử dụng đầu dò để đo quét chi tiết sẽ giúp cho máy CNC
ngoài khả năng gia công chi tiết, nó còn có thể đo chi tiết như một máy CMM. Do
đó sẽ giảm được giá thành và sai số chế tạo khi chỉ thao tác trên một máy duy nhất.
Xuất phát từ nhận thức trên, qua quá trình thực tập em đã được tìm hiểu về đầu dò
iTS 640 của hãng Heidenhain, cùng với những kết quả đã đạt được của đề tài trước
em đã lựa chọn nghiên cứu đề tài: “Áp dụng công nghệ thiết kế ngược Reverse
engineering trên máy công cụ CNC”
- Lịch sử nghiên cứu
Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường, tôi đã đọc và nghiên cứu
một số đề tài của các bạn sinh viên các khóa.
- Với đề tài: “Tự động lập trình đo và kiểm tra sai số gia công chi tiết từ file
CAD” của bạn Lê Quốc Đạt sinh viên khóa 50 chuyên ngành Cơ điện tử. Đã xây
dựng nên thuật toán tạo đường dụng cụ với vùng đo toàn chi tiết có hình dạng bất
kỳ dựa trên dữ liệu CAD, thuật toán gióng đã được ứng dụng thành công mang lại
khả năng mạnh mẽ hơn, phát triển được thuật toán và xác định được sai số.
- Đề tài: “Tích hợp đầu dò trên máy công cụ CNC để đo quét chi tiết” của nhóm
các bạn sinh viên: Nghiêm Thị Thu Hiền, Lê Trung Dũng, Ngô Ngọc Chiến chuyên ngành Cơ điện tử, khóa 48. Với đề tài này các bạn đã tìm hiểu và mô hình
hóa được toàn bộ các bộ phận cơ bản của đầu dò, xây dưng nên thuật toán và
chương trình điều khiển đầu dò và đo quét sản phẩm bằng đầu dò trên máy CNC.

Học viên: Đặng Thị Bốn

16

Chuyên ngành: Cơ điện tử

Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

Tôi cũng đã tham khảo rất nhiều tài liệu và nhận thấy rằng công nghệ lập
trình và gia công trên máy CNC đã trở nên phổ biến ở việt nam. Những năm gần
đây các đề tài nghiên cứu đã đề cập rất nhiều đến công nghệ lập trình gia công trên
máy CNC, và việc áp dụng công nghệ thiết kế ngược trên máy CNC cũng được rất
nhiều người quan tâm. Trong đề tài: “ Nghiên cứu đánh giá độ chính xác tái tạo
ngược khi sử dụng trung tâm gia công VMC – 85s” của bạn Nguyễn Tuấn Hưng
chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy – Đại học Thái Nguyên đã xây dựng bề mặt
và thiết kế hoàn thành sản phẩm bằng công nghệ thiết kế ngược.
Từ sự tích lũy và trau rồi kiến thức trên đã dần giúp tôi nghiên cứu và phát triển đề
tài “Áp dụng công nghệ thiết kế ngược Reverse engineering trên máy công cụ
CNC” của mình.
- Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
Mục đích nghiên cứu luận văn là có đủ kiến thức để có thể kiểm chứng lại giả thiết
trên. Muốn kiểm chứng được giả thiết, trước hết cần tìm hiểu về sự tương đồng về
kết cấu của các loại máy CNC, CMM. Sau đó là tìm hiểu quá trình gia công chi tiết
trên các trung tâm gia công điều khiển số như: gá đặt, rà gá, gỗ phôi, hệ tọa độ phôi.
Kế tiếp là các hệ thống CAD/CAM vì chúng liên quan mật thiết đến quá trình gia
công và kiểm tra, nhờ vậy xác định các yêu cầu cụ thể cho chương trình, các hệ
thống CAD/ CAM cũng đóng góp một phần giải pháp ý tưởng và công cụ phục vụ
đề tài. Về chức năng điều khiển: máy CNC hoàn toàn có thể thực hiện các chức
năng điều khiển như trên máy CMM. Sau khi tìm hiều về kết cấu đầu dò tiếp xúc
hồng ngoại, có thể thấy đầu dò là một loại thiết bị được chế tạo nhạy cảm với sự tác
động của ngoại lực, có khả năng tự cân bằng trở lại khi ngoại lực không tác dụng
lên kim dò nữa, do vậy tọa độ các điểm chạm tiếp xúc của đầu dò luôn được xác
định một cách chính xác. Dựa trên thuật toán của chương trình điều khiển máy

CNC, thiết lập thuật toán lọc các dữ liệu điểm để tạo nên bộ dữ liệu điểm chính xác.
- Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả
Nhiệm vụ của đề tài là tập trung nghiêu cứu, giải quyết bài toán tổng thể nhất đó là:
+ Đo quét chi tiết có bề mặt bất kỳ.

Học viên: Đặng Thị Bốn

17

Chuyên ngành: Cơ điện tử


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

+ Xây dựng thuật toán lọc dữ liệu điểm, và lập trình triển khai thuật toán.
+ Xây dựng bề mặt gia công bằng phần mềm meshlab
+ Lập trình gia công hoàn thành sản phẩm
Các công việc chúng em đã thực hiện được cụ thể như sau:
+ Tìm hiểu về công nghệ thiết kế ngược, ứng dụng của công nghệ thiết kế
ngược kết hợp với máy CNC. Trước hết tìm hiểu quá trình gia công các trung tâm
gia công tự động tại các xưởng cơ khi trong trường, nắm được cơ bản các bước gá
đặt phôi, thiết lập hệ tọa độ phôi, cách thưc thực hiện chương trình gia công của
máy. Sau đó tìm hiểu các đặc điểm của CAM một gợi ý quan trọng cho ý tưởng
thực hiện.
+ Về thuật toán: Xây dựng thuật toán lọc các dữ liệu điểm đo toàn chi tiết có
hình dạng bất kỳ dựa trên dữ liệu CAD, điều đó giải quyết hàng loạt vấn đề về vùng
đo đông thời loại bỏ được số lượng lớn vùng nguy hiểm, nâng cao đáng kể độ an
toàn cho máy, khả năng tùy biến được nâng cao đáng kể. Thuật toán lọc đã được

ứng dụng thành công mang lại khả năng mạnh mẽ hơn.
+ Về bề mặt: Xây dựng bề mặt dựa trên phần mềm meshlab tạo nên bề mặt theo
STL, lập trình gia công trên máy CNC và hoàn thành sản phẩm.
- Phương pháp nghiên cứu.
Luận văn được thực hiện theo 2 phương pháp:
+ Phương pháp lý thuyết: Là phương pháp trình bày tổng quan về quy trình
thiết kế ngược, các loại máy quét 3D, các ứng dụng của thiết kế ngược trong đời
sống, và sự tích hợp đầu dò trên trung tâm CNC để thực hiện quá trình thiết kế
ngược.
+ Phương pháp thực nghiệm. Triển khai các bước thiết kế ngược trên sản
phẩm mẫu thực tế.

Học viên: Đặng Thị Bốn

18

Chuyên ngành: Cơ điện tử


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

Chương 1. LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
1.1.Vai trò của thiết kế ngược
1.1.1. Thiết kế ngược là gì?
Thông thường để gia công chế tạo sản phẩm thì người ta thiết kế mô hình
CAD rồi đem sang máy công cụ để gia công. 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,
những chi tiết đã ngừng sản xuất từ lâu, những chi tiết không rõ xuất xứ ... Để tạo

được mẫu của những sản phẩm này, trước đây người ta tiến hành đo đạc 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 quét hình để quét hình dáng của 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 với độ chính xác cao. Mô hình 3D này có thể được
chỉnh sửa nếu cần. Ngoài việc tái sử dụng sản phẩm, kỹ thuật ngược còn có một số
ứng dụng sau:
- Kiểm tra chất lượng sản phẩm bằng cách so sánh mô hình CAD với sản
phẩm gốc, từ đó điều chỉnh mô hình hoặc các thông số công nghệ để tạo ra sản
phẩm đạt yêu cầu.
- Mô hình CAD được sử dụng như là mô hình trung gian trong quá trình thiết
kế bằng cách tạo sản phẩm bằng tay trên đất sét, thạch cao, sáp …. rồi quét hình để
tạo mô hình CAD. Từ mô hình CAD này người ta sẽ chỉnh sửa theo ý muốn.
- Reverse engineering cho phép tối ưu hoá các sản phẩm trước khi đưa vào
sản xuất
Công nghệ reverse engineering là quá trình tái tạo một mô hình từ một mô hình gốc.
- Thuật ngữ này có thể được áp dụng cho thiết kế phần mềm, điện tử, và
trong trường hợp cụ thể là để làm mẫu cơ khí bằng việc phối hợp các dữ liệu điểm
nằm trên các bề mặt. Một số thiết bị có thể được sử dụng để tạo ra các tọa độ: quét

Học viên: Đặng Thị Bốn

19

Chuyên ngành: Cơ điện tử


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

laser, cấu trúc máy quét ánh sáng, số hoá vũ khí và thiết bị thăm dò cảm ứng, nhưng
kết quả cuối cùng là cho ra bộ dữ liệu đám mây điểm.
Trong nhiều trường hợp, chúng ta có thể có một đối tượng/sản phẩm vật lý
mà không có các chi tiết kỹ thuật kèm theo như bản vẽ, thông số kỹ thuật,… Quá
trình tạo ra các bản sao từ chi tiết/cụm chi tiết hoặc sản phẩm mà không có bản vẽ,
tài liệu hoặc các mô hình từ máy tính được gọi là kỹ thuật ngược. Kỹ thuật ngược
cũng được định nghĩa như là một quá trình nhận dữ liệu một mô hình CAD từ các
dữ liệu điểm 3D thu được bằng việc quét/số hóa chi tiết hoặc sản phẩm hiện có.

Hình 1.1. Đo dò mô hình ô tô và mô hình mặt người
1.1.2. Tại sao phải thiết kế ngược.
- Thiết kế ngược với khả năng kết hợp và tái sử dụng các mẫu thiết kế cũ.
- Hỗ trợ việc khôi phục lại mẫu sản phẩm đã bị mất tài liệu hướng dẫn.
- Các mạch tích hợp có bản quyền hoặc quá lỗi thời nên tạo ra sản phẩm mới
với chíp hiện có sử dụng công nghệ Re để thiết kế lại sản phẩm.
- Tạo ra mô hình CAD để phục vụ gia công từ một mẫu vật thật (Tạo dữ liệu
để tân trang hoặc chế tạo chi tiết không có dữ liệu CAD, hoặc dữ liệu CAD bị mất)
- Quá trình đo kiểm so sánh giữa mô hình CAD và kết quả gia công.
Reverse engineering là một phương thức nghiên cứu để làm mới các sản phẩm
tương thích được rẻ hơn so với những gì có trên thị trường.
- Làm mạnh thêm những đặc tính tốt của sản phẩm.
Học viên: Đặng Thị Bốn

20

Chuyên ngành: Cơ điện tử

Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

- Tạo dữ liệu 3D từ một cá thể, một mô hình hoặc một sản phẩm điêu khắc
và tạo mới hoặc tái chế tác phẩm nghệ thuật.
Kỹ thuật ngược đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như chế tạo máy,
thiết kế công nghiệp, thiết kế nữ trang...
1.1.3 Một số ứng dụng thiết kế ngược
1.1.3.1 Sự ứng dụng thiết kế ngược trong tạo mẫu nhanh.
Với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp tạo mẫu nhanh (RP)
việc áp dụng công nghệ thiết kế ngược ngày càng trở nên quan trọng.
- Thiết kế ngược là yếu tố cơ bản cho sự hình thành nên vật mẫu trong công
nghệ RP, sử dụng kỹ thuật đo 3D chính xác, nhanh, tạo ra được toạ độ các biên
dạng đo và xây dựng lại các bề mặt CAD 3D.
1.1.3.2 Kỹ thuật ngược trong ứng dụng kỹ thuật quân sự.
- Với việc áp dụng công nghệ thiết kế ngược đã tạo ra được rất nhiều sản
phẩm phục vụ trong chiến đấu, trong kỹ thuật quân sự.
Ví dụ: Quân đội Đức có đã phân tích và thiết kế lại những cái can tupolev thành can
đựng xăng dầu với thiết kế reverse engineering tuyệt vời và đã đưa vào sử dụng.
- Trong cuộc chiến tranh tại Nhật Bản, Máy bay B - 29 của Mỹ buộc phải hạ
cánh vì những chiếc máy bay B - 29 này đã bị sao chép giống nhau bằng công nghệ
Reverse engineering.
Dưới đây là hình ảnh các ứng dụng của thiết kế ngược với các lĩnh vực khác
nhau của đời sống.

Học viên: Đặng Thị Bốn

21

Chuyên ngành: Cơ điện tử


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

Hình 1.2. Ứng dụng thiết kế ngược trong các lĩnh vực của đời sống
1.2. Các bước của thiết kế ngược.
Hệ thống này về cơ bản gồm ba bước: Thu thập dữ liệu của đối tượng thực
dưới dạng các điểm, lên kết các dữ liệu và tái tạo lại mô hình của đối tượng thực
trong không gian ba chiều. Hình 1.2 mô tả quá trình hoạt động của hệ thống các dữ
liệu của đối tượng thực được thu thập sử dụng 3 thiết bị quét (scanner) dưới dạng
một tập hợp các điểm (cloud points) trong không gian ba chiều. Từ các dữ liệu điểm
xây dựng nên một lưới tam giác để liên kết các điểm trong không gian 3 chiều sử
dụng thuật toán ICP với heuristics. Mô hình của đối tượng thực được số hóa hoàn
toàn sau khi thực hiện một số bước tinh chỉnh như làm mịn (bóng), vá lỗ thủng,
hoặc chia nhỏ lưới tam giác (subdivision) để tăng cường chi tiết hóa mô hình số.

Học viên: Đặng Thị Bốn

22

Chuyên ngành: Cơ điện tử


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

Hình 1.2. Biểu đồ các quá trình hoạt động của hệ thống
- Thu thập dữ liệu
Trong hình 1.2, hệ thống thu thập dữ liệu sử dụng 3 máy quét ba chiều (3D
scanners) dựa trên kỹ thuật đo của moiré để tái tạo lại mô hình mẫu. Khoảng cách
giữa mô hình và các máy quét là R bằng 1040 mm, và góc tương quan giữa các máy
quét j là 950. Các máy quét liên tục chép lại các hình ảnh, máy quét đầu tiên chép lại
hình ảnh phía trước, hai máy quét còn lại chép lại ảnh bên trái và phải của đối
tượng.

Hình 1.3. Vị trí cấu hình của ba máy quét (R = 1040 mm, j = 95°)
- Liên kết dữ liệu thu thập được
Tam giác hóa (triangulation) là phương pháp dựng hình trong không gian 2D
và 3D. Các quá trình tam giác hóa sẽ được thực hiện với dữ liệu đầu vào là tập hợp
hỗn độn các điểm đã thu thập được. Một số sách giáo khoa và bài báo đã giới thiệu
kỹ về thuật toán này. Thuật toán tam giác hóa có thể trình bày tóm tắt như sau:

Học viên: Đặng Thị Bốn

23

Chuyên ngành: Cơ điện tử


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

Hình 1.4. Quá trình tam giác hóa đối với tập hợp điểm đầu vào
Cho một tập hợp điểm đầu vào, Thuật toán tam giác hóa bằng cách lấp kín
cái lớp vỏ bên ngoài của mô hình bằng các tam giác. Các đỉnh của tam giác là tập

hợp điểm đầu vào và hình tròn ngoại tiếp quanh mọi tam giác là không chứa bất kỳ
điểm nào khác ở bên trong các hình tròn, xem mô tả trong hình 1.4.

Hình 1.5. Hợp nhất hai lưới tam giác
Sau khi các lưới tam giác được sinh ra từ các tập hợp điểm, bước tiếp theo là
qúa trình đồng nhất các lưới tam giác tới cùng một hệ tọa độ. Nếu toàn bộ dữ liệu
được chép dùng một thiết bị quét hình giới hạn quay là sáu chiều tự do với độ chính
xác cao thì chúng ta có thể đồng nhất chúng bằng phần mềm cung cấp bởi chính
thiết bị này. Tuy nhiên, thiết bị này rất đắt, do đó chúng ta có thể dùng thiết bị rẻ
hơn với giới hạn quay là hai chiều tự do, đây chính là lý do mà chúng ta phát triển
hệ thống với ba thiết bị quét hình đơn. Cùng với việc chọn thiết bị này, chúng ta đã

Học viên: Đặng Thị Bốn

24

Chuyên ngành: Cơ điện tử


Luận văn thạc sĩ khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Thị Hồng Minh

phát triển một phần mềm phụ trợ cho việc đồng nhất các dữ liệu đã được chép hình.
Phần mềm này không bị phụ thuộc vào vị trí và hướng quét của máy quét hình.
Bước tiếp theo của đồng nhất dữ liệu đã là hợp nhất các lưới đã được đồng
nhất thành một lưới tam giác mô tả đầy đủ mô hình mẫu (đầu người) với đầy đủ các
thông tin về hình thái của nó. Bằng một phương pháp tương đối, Phương pháp này
rất hiệu quả đối với việc hợp nhất nhiều lưới tam giác thành một lưới đồng nhất
nhưng vẫn mô tả được hình thái của mô hình mẫu một cách hoàn thiên. Hình 1.5

mô tả quá trình hợp nhất hai lưới tam giác với ba bước căn bản: 1) Tìm đường giao
giữa hai luới, 2) Cắt bỏ một phần chung giữa hai lưới, và 3) Tạo lại đường bao cho
cả hai lưới.
- Tái Tạo Lại Mô Hình Ba Chiều Hoàn Chỉnh
Trong các hệ thống sử dụng các thiêt bị với chi phí rẻ (máy quét giới hạn
quay hai chiều) chỉ có thể quét ba lần phía trước, bên trái và phải của hình mẫu.
Hơn nữa các hình đối tượng thực thường rất phức tạp với các lỗ hổng và phần lõm
vào rất nhỏ. Phần thiếu hụt của các tam giác trong quá trình quét cần phải được vá
và được tạo dựng lại để cho ra một mô hình số hóa hoàn chỉnh trên máy tính.

Hình 1.6. Vá lỗ thủng từ lưới các tam giác
Hình 1.6 là một ví dụ về vá lỗ hổng. Các lỗ hổng được vá bằng các tam giác
phẳng. Đầu tiên thực hiện chia nhỏ tam các tam giác phẳng và sau đó làm mịn với
các tam giác lân cận. Từ lưới tam giác này hệ thống sẽ sinh ra một tập lệnh chỉ dẫn
cho máy CNC tạo khuôn cho hình mẫu.
Học viên: Đặng Thị Bốn

25

Chuyên ngành: Cơ điện tử