Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị số hóa dữ liệu bề mặt vật thể kiểu tay Robot (LV thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRẦN NAM THẮNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM
THIẾT BỊ SỐ HÓA DỮ LIỆU BỀ MẶT VẬT THỂ
KIỂU TAY ROBOT

LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ

THÁI NGUYÊN – NĂM 2016
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRẦN NAM THẮNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM
THIẾT BỊ SỐ HÓA DỮ LIỆU BỀ MẶT VẬT THỂ
KIỂU TAY ROBOT

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS PHẠM THÀNH LONG

THÁI NGUYÊN – NĂM 2016
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




3

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Trần Nam Thắng
Học viên: Lớp Cao học K16
Đơn vị công tác: Công ty CP Cơ khí ô tô Nghệ An – Tổng Công ty Công nghiệp ô
tô Việt Nam
Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị số hóa dữ liệu bề mặt vật thể
kiểu tay Robot
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 60520103
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các ý tưởng, thiết

kế, chế tạo cũng như các số liệu là hoàn toàn trung thực, chưa từng được công bố
trong bất kỳ một công trình nào khác.
Thái Nguyên, ngày ..... tháng ..... năm 2016
Học viên:

Trần Nam Thắng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




4

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện đề tài, tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ
phía nhà trường, các thấy cô giáo trong Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp – Đại
học Thái Nguyên.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo, các thầy cô
giáo tham gia giảng dạy đã tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành chương trình học và
hoàn thiện luận văn này.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo PGS.TS. Phạm Thành Long
đã định hướng, theo dõi và truyền đạt kiến thức để tác giả có thể hoàn thành được
luận văn này.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo, Ban giám đốc Công ty CPCK
ô tô Nghệ An đã tạo mọi điều kiện cho tác giả được đi học nâng cao trình độ; Xin
cảm ơn đến bạn Tô Tấn Trung Dũng – Công ty TNHH Châu Đà – Đà Nẵng, xin
cảm ơn bạn cùng lớp Lê Tiến Thanh – Trường CĐ nghề Việt-Hàn – Nghệ An đã
giúp đỡ tác giả tháo gỡ những khó khoăn trong khi làm luận văn.
Mặc dù đã rất cố gắng song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên đề

tài chắc chắn còn nhiều thiếu sót và cần bổ sung. Do vậy, kính mong quý thầy cô,
đồng nghiệp, bạn bè cùng đóng góp để tác giả hoàn thiện kiến thức và ứng dụng các
kiến thức học được vào trong thực tế.
Tác giả xin chân thành cảm ơn!

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




5

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT
TT

Kí hiệu

Diễn giải nội dung đầy đủ

1

PCMM

Portable Coordinate Measuring Machine

2

CMM

Coordinate Measuring Machine

3

PLC

Programable Logic Control

4

NC

Numerical Control

5

CNC

Computer Numerical Control

6

RE

Reverse Engineering

7

CAD

Computer Aided Design

8

CAM

Computer Aided Manufacturing

9

CIM

Computer Integrated Manufacturing

10

FE

Forward Enginerring

11

DH

Denavit Heternbeg

12

2D

2 Direction

13

3D

3 Direction

14

VBA

Visual Basic Application

15

GUI

Graphical User Interface

Đơn vị

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU
STT

Kí hiệu

Nội dung

Trang

1

Hình 1.1

Máy quét laser 3D

17

2

Hình 1.2

Ví dụ các cấu hình máy đo CMM

18

3

Hình 1.3

Đầu dò điểm tiếp xúc

19

4

Hình 1.4

Đầu quét laser

19

5

Hình 1.5

Đường cong nội suy từ đa thức Lagrange

20

6

Hình 1.6

Đường cong Hermite

21

7

Hình 1.7

Đường cong Spline bậc 3

21

8

Hình 1.8

Đường cong Bezier ban đầu và khi thay đổi vị trí điểm

22

điều khiển

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




6

Đường cong Bezier nhiều phân đoạn

9

Hình 1.9

22

10

Hình 1.10 Biểu diễn mặt cong Bézier

22

11

Hình 1.11 Đường cong B-spline

23

12

Hình 1.12 Mặt cong B-spline

23

13

Hình 1.13 Phương pháp làm mịn

23

14

Hình 1.14 Minh họa phương pháp xây dựng mặt cong bằng cách

24

tổng hợp các đường sinh dọc và ngang
15

Hình 1.15 Minh họa phương pháp xây dựng mặt cong từ mạng

24

lưới 3 điểm gần nhau nhất
16

Hình 2.1

Thiết bị CMM 2D

29

17

Hình 2.2

Tay máy và khối V từ

30

18

Hình 2.3

Encoder 5000 xung/vòng

30

19

Hình 2.4

PLC Omron CP1L

30

20

Hình 2.5

Giao diện chương trình CMM 2D

30

21

Hình 2.6

Lắp ráp tổng thành máy CMM 3D

31

22

Hình 2.7

Bộ trượt trục Z

32

23

Hình 2.8

Drive Step

32

24

Hình 2.9

Chi tiết cần số hóa

32

25

Hình 2.10 Hộp điều khiển trục Z

33

26

Hình 2.11 Gá đặt chi tiết cần đo lên thiết bị

33

27

Hình 2.12 Add-in “Chen Toa Do Z”

34

28

Hình 2.13 Chương trình số hóa biên dạng vật thể

34

29

Hình 2.14 Cách chế tạo đầu đo

36

30

Hình 2.15 Keo 2 thành phần Epoxy

36

31

Hình 4.1

Chiến lược đảm bảo sai số cho phép của máy

49

32

Hình 4.2

Chuyển động với bước bé nhất của đầu đo giữa hai

50

điểm
33

Hình 4.3

Xê dịch trong phạm vi cho phép của đầu đo

52

34

Hình 4.6

Các dạng sai số chế tạo khâu robot

53

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




7

35

Hình 4.7

Tay máy một khâu quay

54

36

Hình 4.8

Tay máy 2 khâu quay

55

37

Hình 4.9

Cách sử dụng kết quả tính toán dung sai

56

38

Hình 4.10 Khe hở hướng kính δ và khe hở dọc trục:δ1+δ2

58

39

Hình 4.11 Ball screws

58

40

Hình 4.17 Hình ảnh đầu đo CMM tiêu chuẩn

62

41

Hình 5.1

Gá đặt chi tiết lên máy và giao diện người dùng

65

42

Hình 5.2

Add-in Chen Toa Do Z

66

43

Hình 5.3

File *.XYZ

67

44

Hình 5.4

Cách mở file *.xyz

68

45

Hình 5.5

Cách sử dụng Add-ins ScanTo3D

68

46

Hình 5.6

Dữ liệu đám mây điểm mở bằng file *.xyz

68

47

Hình 5.7

Hoàn thiện chi tiết

69

48

Hình 5.8

Biên dạng phóng đại biên dạng sau khi đo được

70

49

Hình 5.9

Phương pháp làm mịn

70

50

Hình 5.10 Biên dạng đã xử lý hoàn thiện với 1000 vòng lặp

70

(đường màu đỏ)
51

Hình 5.12 Trích đoạn dữ liệu tọa độ điểm 3D của 3 đường sinh

72

52

Hình 5.14 Đo kiểm độ chính xác của máy với dưỡng mẫu

74

STT

Kí hiệu

Nội dung

Trang

1

Sơ đồ 1.1

Quá trình sản xuất thuận

15

2

Sơ đồ 1.2

Quá trình sản xuất ngược

15

3

Sơ đồ 3.1

Sơ đồ HT công nghệ và chuyển đổi tọa độ giữa các

37

không gian
4

Sơ đồ 3.2

Sơ đồ động học tay đo dưới dạng 3D

39

5

Biểu đồ 4.12

So sánh hiệu quả của vít-me bi

59

6

Biểu đồ 4.13

Biểu đồ mô tả độ chính xác của vít-me bi

59

7

Biểu đồ 4.14

Khoảng sai số của vít-e bi

60

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




8

8

Sơ đồ 5.11

Thuật toán chương trình làm mịn biên dạng

71

9

Sơ đồ 5.13

Thuật toán chương trình xây dựng mặt cong

72

STT

Kí hiệu

Nội dung

Trang

1

Bảng 4.4

Trích dữ liệu tính toán encoder của tay máy

52

2

Bảng 4.5

Kết quả tính toán encoder

53

3

Bảng 4.15

Bảng các cấp độ chính xác vít-me bi của hãng THK

60

4

Bảng 4.16

Bảng thống kê các ứng dụng của vít-me bi

61

5

Bảng 4.18

Bảng thống kê các cấp chính xác đầu đo CMM

62

6

Bảng 4.19

Bảng thống kê cấp chính xác, dung sai của bi cầu

63

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




9

MỤC LỤC
Mở đầu ........................................................................................................ Trang 12
Chương 1: Tổng quan về vấn đề số hóa bề mặt ....................................... Trang 14
1.1. Sản xuất ngược là gì .............................................................................. Trang 14
1.2. Thiết bị số hóa và đo lường trong sản xuất ngược ................................ Trang 16
1.2.1. Các loại máy CMM ......................................................................... Trang 16
1.2.1.1. Máy công cụ số hóa .................................................................. Trang 16
1.2.1.2.Máy quét Laser .......................................................................... Trang 16
1.2.1.3. Máy đo tọa độ CMM................................................................. Trang 17
1.2.2. Các loại đầu dò................................................................................ Trang 18
1.2.2.1. Đầu dò điểm tiếp xúc ............................................................... Trang 18
1.2.2.2. Đầu quét liên tục ....................................................................... Trang 18
1.2.2.3. Đầu quét Laser ......................................................................... Trang 19
1.3. Cơ sở lý thuyết xây dựng đường cong, mặt cong ................................. Trang 19
1.3.1. Phương pháp nội suy....................................................................... Trang 19
1.3.1.1. Phương pháp nội suy theo đa thức Lagrange ............................ Trang 19
1.3.1.2. Phương pháp nội suy đường cong tham số bậc 3 từng khúc .... Trang 20
1.3.1.3. Phương pháp nội suy đường cong Spline bậc 3 ........................ Trang 20
1.3.2. Phương pháp xấp xỉ ........................................................................ Trang 21

1.3.2.1. Xấp xỉ Bézier ............................................................................ Trang 21
1.3.2.2. Xấp xỉ B-spline ......................................................................... Trang 23
1.3.3. Phương pháp số từ dữ liệu đám mây điểm ..................................... Trang 23
1.4. Kết luận chương 1 ................................................................................. Trang 24
Chương 2: Nguyên lý, cấu trúc máy đo ba chiều kiểu robot .................. Trang 26
2.1. Định hướng đề tài.................................................................................. Trang 26
2.1.1. Lý do chọn đề tài............................................................................. Trang 26
2.1.2. Mục tiêu của nghiên cứu ................................................................. Trang 26
2.1.3. Phương pháp và phương pháp luận ................................................ Trang 27
2.1.4. Ý nghĩa của nghiên cứu .................................................................. Trang 27

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




10

2.2. Một số nghiên cứu ở Việt Nam có liên quan đến đề tài ....................... Trang 28
2.3. Định hướng thiết kế .............................................................................. Trang 29
2.3.1. Thiết bị CMM 2D đã có ................................................................. Trang 29
2.3.2. Nâng cấp máy thiết bị số hóa CMM 2D lên 3D ............................. Trang 30
2.3.3. Ý tưởng thiết kế thiết bị số hóa bề mặt vật thể kiểu tay robot ........ Trang 34
2.4. Kết luận chương 2 ................................................................................. Trang 36
Chương 3: Thiết kế động học máy đo ....................................................... Trang 37
3.1. Chuyển đổi tọa độ điểm giữa các không gian ....................................... Trang 37
3.2. Phương trình động học robot 3 khâu .................................................... Trang 38
3.3. Giải bài toán động học robot 3 khâu bằng phương pháp giải tích ........ Trang 40
3.4. Giải bài toán động học bằng phương pháp số ....................................... Trang 43
3.4.1. Cơ sở lý thuyết ................................................................................ Trang 43

3.4.2. Tính toán cho cánh tay TRR ........................................................... Trang 45
3.5. Kết luận chương 3 ................................................................................. Trang 47
Chương 4: Xác định sai số các thành phần của thiết bị .......................... Trang 48
4.1. Các dạng sai số ...................................................................................... Trang 48
4.2. Sai số do lựa chọn độ phân giải của các Encoder ................................. Trang 49
4.3. Sai số do cấu trúc của robot ................................................................. Trang 53
4.4. Sai số do khe hở của ổ bi đỡ ................................................................. Trang 55
4.5. Sai số bộ truyền vít-me bi ..................................................................... Trang 58
4.6. Bi thép dùng làm đầu đo ....................................................................... Trang 62
4.6.1. Xét đầu đo tiêu chuẩn ..................................................................... Trang 62
4.6.2. Đầu đo được chế tạo từ viên bi ....................................................... Trang 63
4.7. Kết luận chương 4 ................................................................................. Trang 64
Chương 5: Thu thập và xử lý dữ liệu đo ................................................... Trang 65
5.1. Sử dụng máy đo .................................................................................... Trang 65
5.2. Phân tích kết quả đo .............................................................................. Trang 69
5.2.1. Xử lý dữ liệu 2D ............................................................................. Trang 69
5.2.2. Xây dựng dữ liệu 3D ....................................................................... Trang 71
5.3. Đối chứng kết quả đo ............................................................................ Trang 73

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




11

5.4. Kết luận chương 5 ................................................................................. Trang 74
Kết luận đề tài.............................................................................................. Trang 75
Tài liệu tham khảo ...................................................................................... Trang 76
Phụ lục .......................................................................................................... Trang 78

Phụ lục 1: Code chương trình VBA viết Add-in “Chen Toa Do Z” ........... Trang 78
Phụ lục 2: Code lập trình phần mềm “SoHoa3D_Matlab” ......................... Trang 81
Phụ lục 3: Code chương trình PLC điều khiển trục Z ................................. Trang 91
Phụ lục 4: Bản vẽ thiết kế ........................................................................... Trang 92

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




12

MỞ ĐẦU
Sản xuất tích hợp CAD/CAM hiện là công cụ lao động tiên tiến nhất của con người
trong sản xuất công nghiệp, dây chuyền sản xuất gồm nhiều tế bào tự động linh hoạt
giữ các vai trò khác nhau như:
- Mô đun CAD có chức năng tạo lập thiết kế.
- Mô đun CAM chức năng chuyển thiết kế CAD sang thành dữ liệu đường chuyển
dao.
- Mô đun vận chuyển gồm băng tải tự động và các robot công nghiệp.
- Mô đun lưu trữ tự động gồm các ổ tích dao và kho tự động.
- Mô đun tái tạo thiết kế cho quá trình ngược (RE), kiểm tra đo lường tự động
(CMM).
Đồng bộ toàn bộ hệ thống đòi hỏi đầu tư lớn trong khi các nhu cầu về số hóa biên
dạng bề mặt 3D và đo kiểm bằng thiết bị cơ điện tử là rất lớn, các ưu thế về tính tích
hợp, độ chính xác làm cho thiết bị đo cơ điện tử giải quyết hầu hết các hạn chế của
các phương pháp đo truyền thống.
Thiết bị số hóa dữ liệu bề mặt vật thể thực chất là một máy đo CMM (Coordinate
Measuring Machines) dựa trên kỹ thuật thiết kế ngược RE (Reverse Engineering).
Máy CMM có nhiều cấu hình khác nhau từ Caltiliver, work shop floor, frame, robot

arm…trong đó cấu hình robot do khối lượng và kích thước nhỏ gọn thường được
gọi là máy CMM xách tay hay để bàn có tính linh hoạt trong sử dụng. Thiết kế tay
đo này ứng dụng các kỹ thuật như thiết kế robot.
Luận văn tập trung vào nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy đo biên dạng 3D kiểu tay
robot dựa trên một tay đo 2D(XY) đã có sẵn. Yêu cầu với phần cứng là nhận diện
được linh kiện điện tử với năng lực vừa đủ đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác
nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư. Quá trình thiết kế đã bổ sung thêm bàn trượt trục Z,
bộ điều khiển trục Z, chế tạo đầu đo tiêu chuẩn và viết phần mềm xử lý số liệu để
tổng hợp mặt cong 3D. Thiết bị sau khi kiểm tra cho thấy đảm bảo độ chính xác
kích thước theo yêu cầu đặt ra cũng như độ chính xác về hình dáng hình học.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




13

Phương pháp tiếp cận qua kiểm chứng cho thấy sự phù hợp để phát triển các máy có
độ chính xác cao hơn nữa.
Nội dung của luận văn bao gồm 5 chương:
Chương 1: Tổng quan về vấn đề số hóa bề mặt
Chương 2: Nguyên lý, cấu trúc máy đo ba chiều kiểu tay robot
Chương 3: Thiết kế động học máy đo
Chương 4: Xác định sai số thiết bị
Chương 5: Thu thập và xử lý dữ liệu đo
Đề tài đã sử dụng các kỹ thuật robot để thiết kế và chế tạo một thiết bị số hóa dữ
liệu bề mặt vật thể kiểu robot arm với giá thành rẻ hơn so với tay đo CMM nhập
khẩu nhằm mục đích tập trung vào số hóa biên dạng đơn thuần hoặc có thể phục vụ
cho việc đo lường.

Thiết bị sẽ số hóa được các biên dạng không gian ba chiều đảm bảo độ chính xác
theo yêu cầu xác định trước. Kết nối CAD/CAM/CNC để đánh giá mức độ chính
xác của thiết bị so với lý thuyết đã xây dựng.
Dự kiến ứng dụng thiết bị số hóa bề mặt vật thể kiểu Robot mà chúng tôi chế tạo:
- Ứng dụng cho các cơ sở sản xuất có máy CNC không có điều kiện đầu tư máy
nhập khẩu.
- Ứng dụng trong giảng dạy và nghiên cứu khoa học tại trường Đại học kỹ thuật
công nghiệp – Đại học Thái Nguyên.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




14

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ SỐ HÓA BỀ MẶT
1.1. Sản xuất ngược là gì?
- Sản xuất ngược là một khái niệm bắt nguồn từ kỹ thuật ngược (Reserve
Engineering), là kỹ thuật tái hiện lại một chi tiết hay bộ phận có sẵn không phải qua
thiết kế từ đầu mà thông qua một thiết bị số hóa biên dạng bề mặt. Sản xuất ngược
ngày nay được ứng dụng rất rộng rãi trên nhiều lĩnh vực, nhiều ngành nghề, đặc biệt
là trong công nghệ chế tạo ô tô. Nắm bắt được thị hiếu của người tiêu dùng, nhiều
loại xe đã được ra đời một cách nhanh chóng với nhiều kiểu dáng mẫu mã khác
nhau. Mỗi lần thay đổi công nghệ như vậy sẽ rất tốn kém, ảnh hưởng rất lớn đến chi
phí trong sản xuất. Dó đó nhà sản sản xuất chỉ việc số hóa một chiếc xe, từ đó chỉnh
sửa trên các phần mềm CAD thì có thể cho ra đời một mẫu xe mới.
- Các lĩnh vực ứng dụng chính của thiết kế ngược bao gồm:
+ Thiết kế chế tạo khuôn mẫu (khuôn nhựa, khuôn đúc , ..)

+ Gia công CNC (dữ liệu mô hình CAD đầu vào )
+ Thiết kế, sản xuất hàng tiêu dùng (điện thoại, đồ gia dụng )
+ Công nghiệp ô tô, hàng không, y tế và giáo dục, ...
+ Sao chép, phục hồi, sản xuất phụ tùng đơn chiếc không còn sản xuất.
+ Ngoài việc phục vụ thiết kế chế tạo, quy trình thiết kế ngược còn được sử dụng để
kiểm tra, đánh giá độ chính xác giữa sản phẩm gia công so với nguyên mẫu.
+ Tạo các mẫu mã mới so với hình dáng ban đầu.
- Kỹ thuật ngược có bản chất từ bài toán lấy mẫu chi tiết và vật thể có sự trợ giúp
của máy tính. Bài toán đặt ra là làm sau có thể chế tạo chi tiết khác giống hệt chi tiết
đã có. Với các biên dạng phức tạp không thể dùng các dụng cụ đo thông thường để
dựng lại bản vẽ chi tiết đó được. Do đó, một ý tưởng đánh dấu số điểm trên bề mặt
vật thể và nối các điểm đó lại với nhau sẽ bao trùm lên toàn bộ vật thể. Số điểm
càng gần nhau sẽ thể hiện đúng hình dáng hình học của chi tiết nhất, có nhiều
phương án để dựng lại bề mặt, đó là sử dụng phương pháp toán học để nội suy các
đường cong, mặt cong từ các điểm đánh dấu (mặt cong Bizier, Spline bậc 3,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




15

Hermite...) hay tạo ra đám mây điểm (Point Cloud) từ thiết bị điện tử. Trong luận
văn này, tác giả tập trung nghiên cứu số hóa bề mặt dựa trên việc tạo ra đám mây
điểm. Phương pháp này cho độ chính xác hình dáng hình học cao vì dựa trên tần
suất lấy mẫu nhanh của các cảm biến điện tử.
- Sản xuất thuận hay phương pháp sản xuất theo truyền thống là quá trình xuất phát
từ yêu cầu công việc, người thiết kế phải nãy ra các ý tưởng và hình dung ra hình
dáng hình học của chi tiết đó và bắt tay vào thiết kế, sử dụng các phần mềm CAD

để vẽ, chỉnh sửa, mô phỏng động học đến khi hoàn thành việc thiết kế. Giai đoạn
tiếp theo là chế thử, nếu sản phẩm thử đạt yêu cầu sẽ được gia công chế tạo, nếu
không đạt phải xem lại phần thiết kế.
Ý tưởng

Thiết kế
No

Nhu cầu

Tạo mẫu thử
Kiểm tra
Yes

Sản phẩm

Gia công

Sơ đồ 1.1. Quá trình sản xuất thuận
- Sản xuất ngược xuất phát từ nhu cầu phải chế tạo một vật giống như vật mẫu khi
không có bản vẽ thiết kế ban đầu. Một thiết bị điểm hình trong kỹ thuật ngược đó là
máy đo tọa độ CMM (Coordinate Measuring Machines), CMM được trang bị cả
phần cứng và phần mềm dùng để thu thập tọa độ các điểm trên bề mặt vật thể. Từ
dữ liệu điểm đã có, ứng dụng các phần mềm CAD/CAM thông dụng như
SolidWorks, Catia, ProEngneer... để dựng và hoàn thiện lại bề mặt. Bước tiếp theo
là gia công chế tạo sản phẩm trên các máy CNC.

Vật mẫu

Số hóa bề

mặt bằng
máy CMM

Xử lý dữ
liệu bằng
CAD/CAM

Gia công
CNC

Sơ đồ 1.2. Quá trình sản xuất ngược

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN



Sản phẩm


16

- Sản xuất ngược thực chất là quá trình sao chép mẫu. Do tính chất như vậy nên
được ứng dựng để giải quyết các bài toán trong kỹ thuật như:
+ Thiết kế chi tiết dựa vào chi tiết đã có.
+ Lưu lại cơ sở dữ liệu của một chi tiết vừa mới thiết kế.
+ Phục hồi lại các chi tiết không còn bản vẽ.
+ Cho ra đời một mẫu mã mới bằng cách chỉnh sửa dữ liệu điểm thu được.
- Chính nhờ ưu điểm của phương pháp thiết kế ngược là cho phép thiết kế nhanh và
chính xác mẫu thiết kế có độ phức tạp hình học cao, hoặc mẫu dạng bề mặt tự do
(không xác định được quy luật tạo hình). Vì vậy, nó được ứng dụng cao trong

nghiên cứu và phát triển sản phẩm (R&D). Đặc biệt trong các lĩnh vực có vòng đời
sản phẩm ngắn như hàng tiêu dùng, ô tô, xe máy, bao bì nhựa. Phù hợp với các
doanh nghiệp nhỏ sử dụng lợi thế của công nghệ để bắt kịp các doanh nghiệp lớn
khác.
1.2. Thiết bị số hóa và đo lường trong sản xuất ngược
Một trong những công đoạn quan trọng mang tính quyết định của quá trình sản xuất
ngược là thu thập được dữ liệu tọa độ điểm của chi tiết mẫu. Để thực hiện được điều
đó cần phải sử dụng các thiết bị chuyên dùng, gọi chung thiết bị này là máy đo tọa
độ CMM. Hai bộ phận quan trọng cấu thành nên máy CMM đó là các loại đầu đo và
thân máy. Độ chính xác của hai bộ phận này quyết định rất nhiều độ chính xác kích
thước, do đó trên thế giới đã xuất hiện nhiều công ty chuyên sản xuất các linh kiện
riêng rẽ của loại máy này, nhằm tăng khả năng chuyên môn hóa cho thiết bị.
1.2.1. Các loại máy CMM
Tùy thuộc vào phạm vi hoạt động, ứng dụng đo 2D hay 3D, mức độ phức tạp của bề
mặt chi tiết, số bậc tự do của máy mà phân loại CMM thành các dạng khác nhau.
Sau đây ta sẽ xét đến các loại thiết bị có thể dùng cho bài toán tái hiện ngược.
1.2.1.1. Máy công cụ số hóa
Đây là loại máy được thiết kế chủ yếu để phục vụ việc gia công. Tuy nhiên trong
những mẫu máy mới có trang bị thêm thiết bị để kết hợp làm nhiệm vụ “tái hiện
ngược”. Bản chất của nó là máy gia công chi tiết cơ khí với đầu mang dao thông
thường có 3 chuyển động tịnh tiến theo 3 chiều của hệ trục tọa độ Đề-các. Như vậy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




17

nếu ta thay thế đầu dao gia công bằng một đầu dò và đặt chi tiết cần lấy mẫu lên bàn

máy thì lúc này ta đã có một máy với công dụng tương đương với máy đo tọa độ 3
chiều. Đầu dò sẽ quét trên bề mặt của vật mẫu và ghi lại tọa độ của các điểm cần đo.
1.2.1.2. Máy quét Laser
Đây là loại máy CMM sử dụng đầu đo không tiếp xúc, sử dụng tia laser phát ra để
đo khoảng cách từ đầu phát đến vật thể, từ đó máy tính sẽ tính toán và số hóa được
dữ liệu bề mặt. Đây là loại thiết bị đo có khả năng thu thập dữ liệu nhanh, tiếp cận
tới những vị trí khó khăn, những biên dạng phức tạp.

Hình 1.1. Máy quét laser 3D
1.2.1.3. Máy đo tọa độ CMM
Đây là loại thiết bị ứng dụng kỹ thuật cơ điện tử (Mechatronics) để chế tạo. Thông
qua đầu đo tiếp xúc trực tiếp đến bề mặt chi tiết, hệ thống các cảm biến (Sensor) sẽ
phát hiện sự thay đổi vị trí và đưa tín hiệu về bộ xử lý trung tâm. Bộ xử lý này sẽ
tính toán và đưa ra tọa độ X,Y,Z và lưu các dữ liệu điểm này vào máy tính dưới các
định dạng đuôi khác nhau như *.xls,*.txt,*.xyz,*.dwg,*.dxf,*.part …Sau đó dựa
trên các phần mềm CAD/CAM có thể chỉnh sửa và xuất sang file *.NC để gia công
trên các máy CNC.
Máy CMM có nhiều cấu hình khác nhau, tùy theo mục đích và phạm vi hoạt động.
Các loại thông dụng điển hình như:
- Cấu hình Brigde (hình 1.2a)
Đây là thiết bị có kết cấu dạng khung cầu, băng máy hoạt động tịnh tiến theo các
trục X,Y,Z. Thông thường máy này dùng để đo các biên dạng 2D hạn chế về khả
năng đo 3D. Kích thước máy lớn để do các chi tiết lớn do đó phải đặt ở vị trí cố
định.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

18

- Cấu hình WorkShop-Floor (hình 1.2b)
Đây là thiết bị có kết cấu ứng dựng từ robot song song, sử dụng các phương pháp
động học robot song song để tính toán vị trí không gian của đầu đo tiếp xúc với chi
tiết. Loại thiết bị này có kích thước tương đối vừa phải, đo được các biên dạng 3D
nhưng không gian đo bị hạn chế bởi kết cấu máy.
- Cấu hình Arm (hình 1.2c)
Đây là thiết bị đo CMM kiểu tay robot, sử dụng kỹ thuật robot là bài toán động học
ngược để xác định vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối. Tùy vào khả năng đo
của máy mà số bộ tự do tăng tương ứng, trên mỗi khớp có gắn một encoder để phát
hiện sự thay đổi về góc giữa hai khâu. Khi làm việc đầu đo trượt trên bề mặt vật thể
làm cho các khớp quay và các encoder sẽ ghi lại trị số góc quay của từng khớp
tương ứng. Sau đó thông qua các chương trình phần mềm sẽ tính toán và đưa ra
được tọa độ ứng với vị trí tiếp xúc của đầu đo. Trong phạm vi đề tài chỉ tập trung
nghiên cứu và giải mã máy CMM có cấu hình cánh tay robot.

a) Cấu hình Brigde

b) Cấu hình WorkShop-Floor

c) Cấu hình Arm

Hình 1.2. Ví dụ các cấu hình máy đo CMM
1.2.2. Các loại đầu dò
Cấu hình máy là một bộ phận quan trọng quyết định sự làm việc của máy. Sự tiếp
xúc giữa chỉ tiết và máy quyết định độ chính xác cũng như khả năng đo của thiết bị.
1.2.2.1. Đầu dò điểm tiếp xúc (hình 1.5)
Với loại sensor này khi thực hiện thao tác đo, đầu dò sẽ tiếp xúc trực tiếp với bề mặt
cần đo. Tiếp điểm của đầu đo và bề mặt là tọa độ cần xác định của phép đo.

Ưu điểm của loại sensor này là độ chính xác cao, giá thành thấp, lực tiếp cận nhỏ.
Còn nhược điểm là tốc độ xác định dữ liệu điểm chậm.
1.2.2.2. Đầu quét liên tục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




19

Đây cũng là loại đầu dò tiếp xúc, nhưng khác với loại trên chỉ ghi nhận dữ liệu điểm
khi có lệnh của người thao tác. Còn với loại sensor này 11 dữ liệu sẽ được ghi liên
tục khi đầu quét di trượt trên bề mặt đo. Vì vậy tập dữ liệu chứa một số lượng rất
lớn điểm đo.
Ưu điểm của phương pháp đo này là độ chính xác tương đối cao, dữ liệu liên tục.
Nhược điểm là đầu dò có thể chệch hướng khi đo.
1.2.2.3. Đầu quét Laser (hình 1.6)
Không như hai loại đầu quét kể trên là có sự tiếp xúc của đầu đo với bề mặt cần đo.
Ở đây đầu đo sẽ sử dụng kỹ thuật laser để bắt các điểm đo. Các tia laser với cường
độ lớn sẽ được phát ra đến bề mặt đo vì vậy sẽ đo được các bề mặt lớn với khoảng
cách tương đối xa. Đặc điểm nổi bật của phương pháp này là bắt dữ liệu nhanh, đầu
đo không tiếp xúc cơ học với bề mặt, do vậy có thể đo được các bề mặt với chất liệu
mềm.
Nhược điểm của đầu đo này là: sự giới hạn phạm vi đo theo chiều trục Z; không đo
được các bề mặt phản xạ; yêu cầu bề mặt đo phải thẳng góc.

Hình 1.3. Đầu dò điểm tiếp xúc

Hình 1.4. Đầu quét Laser

1.3. Cơ sở lý thuyết xây dựng đường cong, mặt cong [4]
Có ba phương pháp để xây dựng đường cong trong không gian. Đó là phương pháp
toán học (nội suy đường từ tập hợp các điểm); phương pháp xấp xỉ; phương pháp
tạo đường cong mặt cong từ ma trận dữ liệu điểm thu thập được (phương pháp số).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




20

Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng. Sau đây ta sẽ xét các phương
pháp đó để hiểu rõ bản chất của việc xây dựng đường cong, mặt cong.
1.3.1. Phương pháp nội suy
1.3.1.1. Phương pháp nội suy theo đa thức Lagrange
Phương pháp này xây dựng đường cong từ các điểm, số điểm càng lớn thì độ chính
xác càng cao nhưng đồng nghĩa với số bậc của đa thức lớn dẫn đến sự dao động về
hình dạng đường cong. Do đó bài toán này không phù hợp trong kỹ thuật.
y

y

x

x

Hình 1.5. Đường cong nội suy từ đa thức Lagrange.
1.3.1.2. Phương pháp nội suy đường cong tham số bậc 3 từng khúc (Hermite)

A3

A1

A5
A7

A2

A4

A6

Hình 1.6. Đường cong Hermite.
Đường cong tham số bậc 3 được bểu diễn bằng một đa thức bậc 3 với liên tục về vị
trí và độ cong. Các giá trị tham số t biến thiên từ 0 đến 1 trong mỗi phân đoạn.
Phương trình đường cong như sau:
a(t )  (2t 3  3t 2  1)a(0)  (2t 3  3t 2 )a(1)  (t 3  2t 2  t )a' (0)  (t 3  t 2 )a' (1) ,0≤t≤1

,(1.3.1.2)
Hay viết dưới dạng ma trận như sau:



a(t )  t 3

t2

1   a(0) 

 2 2 1
 3 3  2  1  a(1) 

,
t 1
0
0
1
0  a' (0)



0
0
0   a' (1) 
1



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN



(1.3.1.3)


21

Trong đó: a(0),a(1),a’(0),a(1) là các hệ số hình học
a(t) là một điểm trên đường cong

t là tham số biến thiên từ 0 đến 1
1.3.1.3. Phương pháp nội suy đường cong Spline bậc 3
- Để xây dựng đường cong này xuất phát từ ý tưởng uốn một thanh mỏng có độ dẻo
cao. Nếu điểm tựa để uốn càng nhiều thì sẽ được những đường cong có biên dạng
phức tạp. Loại đường cong này được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật, đặc biệt là các
ứng dụng để sản xuất các loại phần mềm đồ họa hiện nay như AutoCAD,
SolidWorks, Inventer, ProEngineer …
- Đường cong Spline được biểu diễn bởi một đa thức bậc 3 có đạo hàm bậc 2 tại
điểm nối chung giữa các đoạn, nghĩa là liên tục vị trí, lên tục tiếp tuyến và liên tục
về độ cong.

A2

A4
A3

A5

A1

A7
A6

Hình 1.7. Đường cong Spline bậc 3
1.3.2. Phương pháp xấp xỉ
- Các phương pháp để biểu diễn đường cong, mặt cong trong các phần mềm đồ họa
dựa trên lý thuyết nội suy và lý thuyết xấp xỉ. Nếu biểu diễn đường cong đi qua tập
hợp các điểm thì có thể sử dụng các phép nội suy kinh điển ở trên. Đối với các bài
toán có bề mặt phức tạp như thân vỏ ô tô hiện đại, hình dáng khí động học của máy
bay thì việc áp dụng những kỹ thuật trên là không đáp ứng hết yêu cầu thiết kế đặt

ra. Do đó, phương pháp xấp xỉ ra đời giải quyết các bài toán khó về biên dạng phức
tạp.
- Trong các phần mềm CAD hện nay, tiêu chuẩn cao nhất là độ mịn của các đường
công hay mặt cong. Có nghĩa là người thiết kế phải chấp nhận không quan tâm đến
chất lượng của phép nội suy. Một điều quan trọng nữa là bất kỳ sự điều chỉnh nào
chỉ mang tính cục bộ, do đó nếu chỉnh sửa cục bộ một vùng làm việc sẽ không ảnh
hưởng đến hình dáng tổng thể của vật thể. Điều đó tạo ra xu hướng mở trong thiết
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




22

kế ngược, đó là cho phép sao chép mẫu có sẵn nhưng cũng có thể cho ra một mẫu
mới dựa trên việc chỉnh sửa dữ liệu thu được.
- Phương pháp biểu diễn đường cong xấp xỉ tạo ra đường cong trơn mịn xấp xỉ các
điểm cho sẵn, chứ không đi qua chính xác tất cả các điểm đó. Hai phương pháp xấp
xỉ thông dụng nhất hiện nay trong CAD là Bézier và B-spline.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




23

1.3.2.1. Xấp xỉ Bézier
- Xấp xỉ Bezier xuất hiện 2 khái niệm đó là các điểm điều khiển và đường điều
khiển. Các điểm điều khiên này là tọa độ các điểm mà đường cong muốn đi qua.

Các đường điều khiển là đường thẳng nối giữa 2 điểm điều khiển. Cụ thể hóa như
hình vẽ:

A2

A3
A2

A1

A3

A’3

A1

A4

A4

Hình 1.8. Đường cong Bezier ban đầu và khi thay đổi vị trí điểm điều khiển
- Trong đó A1,A2,A3,A4 là các điểm điều khiển. Đoạn A1A2,A2A3,A3A4 là các
đường điều khiển. Đường cong A1A4 là đường cong xấp xỉ Bézier. Điểm A’3 là
điểu điều khiển khi thay đổi vị trí điểm A3 ứng với sự thay đổi đường cong xấp xỉ
“chấm-chấm”.

Hình 1.9. Đường cong Bezier nhiều phân đoạn
Mặt cong Bézier cũng được biểu diễn như sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

24

Hình 1.10. Biểu diễn mặt cong Bézier
1.3.2.2. Xấp xỉ B-spline
- Đối với đường cong hay mặt cong Bézier phụ thuộc vào điểm điều khiển, do đó
nếu thay đổi điểm điều khiển sẽ làm thay đổi hình dạng của đường cong. Để tránh
sự ảnh hưởng một cách tổng thể này, có đường cong Bézier thường được xây dựng
bằng cách kết nối nhiều phân đoạn thấp hơn. Điều này cho phép sự điều khiển cục
bộ mà không ảnh hưởng đến toàn bộ đường cong (hình 1.11).
- Đường cong B-spline cũng kế thừa việc điều khiển cục bộ tức là chỉ làm thay đổi
các phân đoạn mà không làm thay đổi tổng thể đường cong. Bậc của B-spline được
thiết kế không phụ thuộc nhiều vào số lượng các điểm điều khiển, tức là không đi
qua các điểm điều khiển (hay chỉ đi qua 1 số điểm) mà nằm trung gian giữa các
điểm đó, nhưng vẫn đảm bảo được tính liên tục, độ cong.
A5

A1
A6

A3

A2

A4

Hình 1.11. Đường cong B-spline

Hình 1.12. Mặt cong B-spline

1.3.3. Phương pháp số từ dữ liệu đám mây điểm
- Đây là phương pháp mới mà đề tài tập trung khai thác, phát triển. Dữ liệu điểm
sau khi thu thập được từ máy CMM sẽ không thực hiện nội suy hay sử dụng phương
pháp xấp xỉ để dựng mặt cong. Mà chuyển sang xử lý làm mịn đường cong, mặt
cong bằng cách nối các trung điểm của 2 đoạn thẳng có chung 1 điểm, quá trình cứ
lặp đi lặp lại như vậy cho đến khi có được đường cong mịn hay mặt cong trơn láng
cần thiết.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN