Tiểu luận tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử: Thiết kế chế tạo máy Scan 3D
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.11 MB, 70 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ
---------- ----------
TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:
Ths.Đường Khánh Sơn
SINH VIÊN THỰC HIỆN:
Huỳnh Tuấn Phong (MSSV: 1700221)
Ngành:Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử 2017
Nguyễn Hải Đăng (MSSV: 1700379)
Ngành:Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử 2017
Cần Thơ - 2021
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
NHẬN XẾT GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
Cần Thơ, ngày ... tháng ... năm 2021
NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG
NHẬN XÉT HỘI ĐỒNG
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
Cần Thơ, ngày ... tháng ... năm 2021
NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KỸ THUẬT – CÔNG NGHÊ CẦN THƠ
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ
NHIỆM VỤ TIỂU LUẬN ĐẠI HỌC
Họ tên sinh viên: HUỲNH TUẤN PHONG
MSSV: 1700221
Ngày, tháng, năm, sinh: 25/10/1998
Nơi sinh: Cà Mau
Ngành: Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử
Mã số: 7510203
Họ tên sinh viên: NGUYỄN HẢI ĐĂNG
MSSV: 1700379
Ngày, tháng, năm, sinh: 06/05/1999
Nơi sinh: Cà Mau
Ngành: Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử
Mã số: 7510203
TÊN DỀ TÀI:
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
Nhiệm vụ:
Ứng dụng công nghệ thiết kế ngược vào quá trình thiết kế sản phẩm.
Nội dung:
-
Thiết kế, chế tạo mơ hình máy Scan 3D
-
Thiết kế mạch điều khiển hoàn chỉnh
THỜI GIAN GIAO ĐỀ TÀI: 15/02/2021
THỜI GIAN HOÀN THÀNH: 18/06/2021
Cần Thơ, ngày ... tháng ... năm 2021
KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ
LỜI CẢM ƠN
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô của trường đại
học kỹ thuật - công nghệ Cần Thơ đặc biệt là thầy cơ ở khoa kỹ thuật cơ khí đã tạo
điều kiện cho em hoàn thành đề tài nghiên cứu của mình.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất dành đến thầy Đường Khánh Sơn đã nhiệt
tình hướng dẫn và hỗ trợ em để hoàn thành đề tài tiểu luận. Trong q trình thực
hiện đề tài khó tránh khỏi những sai sót, rất mong q thầy cơ bỏ qua. Đồng thời do
trình độ về lý luận cũng như chun mơn cịn hạn chế khó tránh khỏi những sai sót,
em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, phản hồi từ q thầy cơ để em có
thể rút ra kinh nghiệm quý báo và xa hơn có thể ứng dụng trong thực tiễn sau này.
Em xin chân thành cảm ơn!
SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG
I
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan nội dung của tiểu luận thiết kế chế tạo máy Scan 3D được thực
hiện bởi nhóm em, từ cơ sở lý thuyết đến thực nghiệm trong suốt quá trình thực hiện
đề tài. Nhằm hướng đến mục tiêu đặt ra là thiết kế chế tạo mơ hình máy Scan 3D với
quy mơ học tập và nghiên cứu. Quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài đã được sự cho
phép của Khoa Kỹ Thuật Cơ Khí thuộc Trường Đại Học Kỹ Thuật - Công Nghệ Cần
Thơ thông qua sự hướng dẫn của thầy Đường Khánh Sơn.Trong bài thuyết minh có
sử dụng những hình ảnh, số liệu, tài liệu khoa học, tài liệu về kỹ thuật để tham khảo
điều được trích dẫn và ghi chú nguồn gốc rõ ràng. Em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm
liên quan đến quyền tác giả của đề tài tiểu luận này.
Sinh viên thực hiện
SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG
II
LỜI NÓI ĐẦU
LỜI NÓI ĐẦU
Đất nước ta đang bước vào thời kì cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước với
nhiều thuận lợi và khó khăn thách thức. Sự phát triển nhanh chóng của cách mạng
khoa học nói chung trong lĩnh vực tự động hóa nói riêng làm cho bộ mặt xã hội đất
nước biến đổi từng ngày từng giờ. Chính vì thế việc cần thiết nhất là ứng dụng các
tiến bộ về khoa học kỹ thuật vào sản xuất chế tạo nhằm tạo ra những sản phẩm có
năng suất, chất lượng cao, giá thành hợp lý ngày càng trở nên cấp thiết, đặc biệt đối
với những nước đang trong thời kì phát triển như nước ta.
Gần đây, phong trào tự chế máy Scan 3D, đã và đang được nhiều bạn sinh viên
quan tâm. Tuy nhiên trong quá trình chế tạo vẫn cịn nhiều hạn chế. Do đó, để cập
nhật kiến thức đồng thời giúp các bạn học sinh, sinh viên hiểu nhiều hơn về cơng
nghệ thiết kế ngược, đó chính là lý do chúng em chọn đề tài “Thiết Kế Chế Tạo Máy
Scan 3D”.
Thiết kế ngược là cụm từ cịn khá xa lạ đối với nhiều người nói chung và người
trong nghề kỹ thuật nói riêng. Cơng nghệ thiết kế ngược là một q trình tập hợp
nhiều loại cơng nghệ khác nhau. Theo cách truyền thống, để sản xuất được một sản
phẩm người ta sẽ bắt đầu từ việc nghĩ ra ý tưởng rồi phác thảo ý tưởng đó ra giấy.
Sau đó là các bước như tính tốn ngun vật liệu phù hợp, tạo ra sản phẩm thật rồi
kiểm tra và phát triển sản phẩm cho hoàn thiện. Cuối cùng đưa ra sản xuất đại trà.
Đây là quá trình chế tạo truyền thống hay còn gọi là “thiết kế thuận hay thiết kế
xuôi".
Tuy nhiên, cuộc cách mạng công nghiêp 4.0 đã đi ngược lại với cách của truyền
thống. Công nghệ thiết kế ngược được ra đời dựa trên phát minh của máy Scan 3D.
Thiết kế ngược được hiểu là công nghệ chế tạo ngược từ dữ liệu Scan 3D. Nghĩa là
thiết kế từ một mẫu đã có sẵn. Sử dụng thiết bị Scan 3D (quét 3D) để chụp lại biên
dạng 3 chiều của mẫu, sau đó dữ liệu file quét 3D được xuất sang phần mềm thiết
ngược (Geomagic designX, Cimatron, Inventor, Solidwworks, ProE, Catia... ) để
SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG
III
LỜI NÓI ĐẦU
tiến hành thiết kế. Phần mềm thiết kế ngược cũng cho phép người dùng có thể thay
đổi kích thước, kiểu dáng thiết kế theo ý muốn.
Việt Nam đã và đang có nền cơng nghiệp phát triển năng động, vì thế cũng khơng
thể đứng ngồi trào lưu cơng nghệ, các mặt của đời sống sản xuất điều cần có sự tiến
bộ so với bạn bè quốc tế. Ứng dụng công nghệ thiết kế ngược, hiện nay đang rất cần
thiết cho q trình cơng nghiệp hóa - hiện đại hóa. Giúp nâng cao năng suất sản
phẩm, giảm thiểu chi phí đầu tư, tăng cấp chính xác, đáp ứng nhu cầu cạnh tranh
hiện nay. Em hy vọng đề tài này sẽ đóng góp vào phục vụ đời sống sản xuất, nâng
cao năng suất lao động.
Nâng cao ý thức tự học, tự nghiên cứu trong học sinh, sinh viên đặc biệt là các
sinh viên của trường Đại học Kỹ Thuật - Công Nghệ Cần Thơ.
Có thể phát triển xa hơn với việc đưa sản phẩm ra thị trường, hạn chế việc phải
phụ thuộc vào các nguồn sản phẩm nhập ngoại, giúp hạ giá thành sản phẩm cũng
như đưa việc ứng dụng công nghệ kỹ thuật vào sâu trong đời sống sản xuất.
SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG
IV
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ I
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... II
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................ III
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... iv
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ vi
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN .................................................................................1
1.1
Lý do và mục đích chọn đề tài.......................................................................1
1.1.1
Lý do chọn đề tài ....................................................................................1
1.1.2
Mục đích nghiên cứu ..............................................................................2
1.2
Nội dung và giới hạn đề tài............................................................................2
1.2.1
Nội dung nghiên cứu...............................................................................2
1.2.2
Mục tiêu và giới hạn đề tài .....................................................................2
1.3
Giới thiệu về công nghệ thiết kế ngược.........................................................3
1.3.1
Khái niệm ................................................................................................3
1.3.2
Ưu nhược điểm của cơng nghệ thiết kế ngược .......................................5
1.3.3
Quy trình công nghệ thiết kế ngược .......................................................5
1.3.4
Các ứng dụng của công nghệ thiết kế ngược ..........................................7
1.3.5
Nguyên lý máy quét Scan 3D ...............................................................11
1.4
Một số máy Scan 3D hiện nay .....................................................................14
1.4.1
Máy Afinia EinScan-SE (Elite) ............................................................14
1.4.2
Máy Scan 3D Cybergage360 ................................................................15
1.5
Máy Scan 3D khác .......................................................................................17
SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG
iii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
1.5.1
Máy Scan 3D nhóm sinh viên trường đại học Bách Khoa Hà Nội .......17
1.5.2
Máy quét 3D của kỹ sư Phan Huỳnh Lâm trường đại học Bách Khoa
TP. Hồ Chí Minh. ..............................................................................................18
1.6
Rút ra kết luận..............................................................................................19
1.7
Phương pháp nghiên cứu .............................................................................19
CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D ..............................20
2.1
Thiết kế máy Scan 3D .................................................................................20
2.2
Thiết kế hệ thống điện .................................................................................24
2.2.1
Khối điều khiển .....................................................................................24
2.2.2
Thiết kế bộ điều khiển trung tâm ..........................................................26
2.2.2.1
Arduino Uno R3 .............................................................................26
2.2.2.2
CNC Shield V3 ..............................................................................31
2.2.2.3
Driver điều khiển động cơ bước A4988 ........................................32
2.2.2.4
Nguồn cho hệ thống .......................................................................34
2.2.2.5
Sơ đồ kết nối mạch điện .................................................................35
2.2.3
Cơ cấu chấp hành ..................................................................................36
2.2.3.1
2.2.4
2.3
Động cơ bước .................................................................................36
Đầu Laser 5mW vạch ngang .................................................................43
Camera .........................................................................................................46
2.3.1
Webcam logitech C270 .........................................................................46
2.3.2
Cân chỉnh Camera .................................................................................46
2.4
Các phần mềm hỗ trợ ...................................................................................49
CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................50
3.1
Chế tạo thành công ......................................................................................50
3.2
Hướng cải tiến .............................................................................................54
SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG
iv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
RE
Reverse engineering
CAD
Compurter aided design
CAM
Compurter aided manufacturing
CAE
Computer aided engineering
CAPP
Computer aided process planning
RP
CNC
Rapid propotyping
Computerized numerical control
SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG
v
DANH MỤC HÌNH ẢNH
No table of figures entries found.DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Quy trình sản xuất sản phẩm cơng nghiệp ..................................................1
Hình 1.2: Quy trình lấy mẫu áp dụng cơng nghệ thiết kế ngược ................................4
Hình 1.3: Quy trình thiết kế thuận và Quy trình thiết kế ngược .................................6
Hình 1.4: Cơng nghệ RE dựng mơ hình CAD cho các tác phẩm nghệ thuật..............7
Hình 1.5: Ứng dụng cơng nghệ tái tạo lấy mẫu hoa văn thủ cơng ..............................7
Hình 1.6: Ứng dụng RE thiết kế lại sản phẩm cơ khí phức tạp ..................................8
Hình 1.7: Ứng dụng RE trong khảo cổ học.................................................................9
Hình 1.8: Ứng dụng RE tạo mảnh sọ não dùng trong y học .......................................9
Hình 1.9: Sử dụng RE thiết kế nhân vật và mơi trường trong Game ........................10
Hình 1.10: Quy trình sản xuất tạo khn mẫu ..........................................................10
Hình 1.11: Sơ đồ ngun lý máy quét laser 3D ........................................................11
Hình 1.12: Quan hệ dịch chuyển vật và dịch chuyển ảnh.........................................11
Hình 1.13: Máy quét 3D EinScan-SE (Elite) với bàn xoay ......................................14
Hình 1.14: Máy Scan 3D Cybergage360 ..................................................................15
Hình 1.15: Chống phản xạ đa chiều 3D - MRS) .......................................................16
Hình 1.16: Máy quét cơ thể người của nhóm sinh viên ............................................17
Hình 1.17: Máy quét 3D của kỹ sư Phan Huỳnh Lâm ..............................................18
Hình 2.1: Tổng thể máy Scan 3D ..............................................................................20
Hình 2.2: Ảnh tổng thể 3D của máy Scan 3D ...........................................................20
Hình 2.3: Bản vẽ bàn xoay ........................................................................................21
Hình 2.4: Bản vẽ khớp nối động cơ ..........................................................................22
Hình 2.5: Bản vẽ thân trên của máy ..........................................................................22
Hình 2.6: Bản vẽ đầu gá laser ...................................................................................23
Hình 2.7: Bản vẽ đầu nối các trục .............................................................................23
Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống ..........................................................................................24
Hình 2.9: Lưu đồ giả thuật máy Scan 3D..................................................................26
Hình 2.10: Arduino Uno R3 .....................................................................................28
Hình 2.11: CNC Shield V3 .......................................................................................31
Hình 2.12: CNC Shield V3 kết hợp cùng A4988......................................................31
SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG
iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.13: Driver điều khiển động cơ bước A4988 .................................................32
Hình 2.14: Sơ đồ nối dây A4988...............................................................................33
Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý của A4988 .....................................................................33
Hình 2.16: Nguồn Adapter 12V ................................................................................34
Hình 2.17: Sơ đồ kết mạch điện ................................................................................35
Hình 2.18: Mạch điện khi được hồn chỉnh ..............................................................36
Hình 2.19: Động cơ bước ..........................................................................................37
Hình 2.20: Động cơ bước nam châm vĩnh cửu .........................................................39
Hình 2.21: Sơ đồ nguyên lý động cơ bước biến từ trở..............................................39
Hình 2.22: Động cơ bước hỗn hợp ............................................................................40
Hình 2.23: Điều khiển động cơ bước ........................................................................41
Hình 2.24: Động cơ Step 42 sữ dụng trong đề tài .....................................................42
Hình 2.25: Kích thước động cơ Step 42 ....................................................................42
Hình 2.26: Cấu tạo cơ bản của nguồn phát ...............................................................43
Hình 2.27: Laser 5mW vạch ngang...........................................................................44
Hình 2.28: Webcam Logitech C270 .........................................................................46
Hình 2.29: Bảng cân chỉnh camera ...........................................................................47
Hình 2.30: Cân chỉnh các thơng số ...........................................................................47
Hình 2.31: Camera đã nhận điểm ảnh trên bảng cân chỉnh ......................................48
Hình 2.32: Bảng cân chỉnh đặt trên bàn xoay của máy.............................................48
Hình 3.1: Tổng thể của máy Scan 3D .......................................................................50
Hình 3.2: Khi máy chưa cân chỉnh thơng số .............................................................51
Hình 3.3: Khi máy đã chỉnh các thơng số phù hợp ...................................................51
Hình 3.4: Ảnh qt ca nước .....................................................................................52
Hình 3.5: Ảnh sau khi được xử lý bằng phần mềm meshlab ....................................53
SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG
v
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2-1: Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3 .................................................. 29
Bảng 2-2 Bảng thông số kỹ thuật của A4988 ........................................................... 34
Bảng 3-1: So sánh kích thước ảnh thực tế và ảnh sau khi Scan chậu cây ................ 53
SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG
vi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1 Lý do và mục đích chọn đề tài
1.1.1 Lý do chọn đề tài
Ngày nay, ngành công nghiệp sản xuất đang được xem là ngành kinh kế trọng
điểm của tồn thế giới nói chung và của Việt Nam nói riêng. Phương pháp để tạo ra
sản phẩm nhanh chóng, chính xác, mẫu mã đẹp đang là vấn đề được các nhà máy, cơ
quan xí nghiệp quan tâm hàng đầu. Việc thiết kế dựa theo sản phẩm đã có sẵn trước
đây phải trải qua một giai đoạn thiết kế, chế tạo mất khá nhiều thời gian, sản phẩm
tạo ra khơng được như ý muốn. Chính vì vậy, cần có một giải pháp nào đó áp dụng
để giải quyết các vấn đề này nhằm mang đến sự tiện lợi, dễ dàng, nhanh chóng cho
cơng ty, cũng như các trung tâm nghiên cứu, trường học và những người đam mê
khám phá cơng nghệ.
Hình 1.1: Quy trình sản xuất sản phẩm công nghiệp
Hiện nay với xu hướng phát triển không ngừng của công nghệ như công nghệ
xử lý ảnh qua camera, bảo mật thẻ RFID. Việc áp dụng xử lý ảnh vào quá trình tạo
ra sản phẩm sẽ dễ dàng thận tiện và nhanh chóng hơn.
Ở Việt Nam ngành kỹ thuật 3D (thiết kế 3D, scan 3D, tạo mẫu in 3D) đang ngày
càng phát triển, là sinh viên ngành kỹ thuật chúng em ln muốn tìm kiếm học hỏi
nhiều điều mới mẽ. Nhận thấy đề đang được phát triển rộng rãi, tính thú vị của nó và
nhiều lợi ít mà đề tài mang lại. Từ đó chúng em chọn đề tài Scan 3D để nghiên cứu
và chế tạo.
SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG
1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.2 Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu và áp dụng những công nghệ mới theo xu hướng phát triển, tìm hiểu
về xử lý ảnh....áp dụng để chế tạo mơ hình máy Scan 3D gọn nhẹ, dễ dàng sử dụng,
độ chính xác cao, thời gian quét vật thể nhanh, khắc phục những nhược điểm trước
đó của những máy Scan 3D đã thực hiện.
Đây không chỉ là tiểu luận tốt nghiệp để hồn thành chương trình học tập
nghiên cứu tại trường. Mà đối với chúng em đây cũng là lúc mình tận dụng tất cả
những kiến thức đã học để làm ra một sản phẩm tốt nhất có thể từ năng lực thực sự
của chính mình. Khẳng định năng lực của mình để sau khi ra trường trở thành một kỹ
sư có đóng góp nhiều cho nền kỹ thuật nước nhà.
1.2 Nội dung và giới hạn đề tài
1.2.1 Nội dung nghiên cứu
Trong đề tài này nhóm sẽ tiến hành nghiên cứu các nội dung sau:
-
Tìm hiểu ưu và nhược điểm của một số máy Scan 3D có sẵn trên thị trường
-
Tìm hiểu về xử lý ảnh, nhận diện ảnh từ vật mẫu
-
Giao tiếp giữa máy tính và Arduino
-
Tìm hiểu các linh kiện (Arduino, camera, laser, động cơ bước...), vật liệu
làm mơ hình để thực hiện đề tài máy Scan 3D
-
Thiết kế và thi cơng mơ hình
-
Đánh giá kết quả thực hiện
-
Nhận xét ưu và nhược điểm của đề tài và hướng phát triển
1.2.2 Mục tiêu và giới hạn đề tài
Vì một số điều kiện khách quan cũng như chủ quan nên đề tài nhóm tập chung
vào một số vấn đề sau:
-
Thiết kế và xây dựng mơ hình máy Scan 3D
-
Hiệu chỉnh được thông số của máy
-
Máy hoạt động ổn định, sai số thấp, gọn nhẹ, có thể khắc phục được các hạn
chế của những máy Scan 3D trước đó
SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG
2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
-
Nhận dạng được vật thể, căn chỉnh được ánh sáng, chế độ làm việc cũng như
thời gian quét của máy
1.3 Giới thiệu về công nghệ thiết kế ngược
1.3.1 Khái niệm
Trong lĩnh vực sản xuất, thông thường để chế tạo ra một sản phẩm, người thiết
kế đưa ra ý tưởng về sản phẩm đó, phác thảo ra sản phẩm, tiếp theo là q trình tính
tốn thiết kế, chế tạo, rồi kiểm tra, hoàn thiện phác thảo, để đưa ra phương pháp tối
ưu, cuối cùng là công đoạn sản xuất ra sản phẩm. Đây chính là chu trình sản xuất
truyền thống, là phương pháp sản xuất đã được áp dụng từ bao thế kỷ nay. Phương
pháp này còn được gọi là công nghệ sản xuất thuận (Forward Enineering). Trong vài
chục năm trở lại đây với sự phát triển với sự phát triển của công nghệ, xuất hiện một
dạng sản xuất theo một chu trình mới, đi ngược với sản xuất truyền thống, đó là chế
tạo sản phẩm theo hoặc dựa trên một sản phẩm có sẵn. Quy trình này gọi là công nghệ
thiết kế ngược (Reverse Engineering) hay cũng được hiểu là công nghệ chép mẫu hay
công nghệ chế tạo ngược.
Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo, cơng nghệ thiết kế ngược được định nghĩa là hoạt
động tạo ra sản phẩm từ các mẫu sản phẩm cho trước mà khơng có bản vẽ thiết kế
hoặc đã bị mất hay không rõ dàng. Sản phẩm mới được tạo ra trên cơ sở khôi phục
nguyên vẹn hoặc phát triển lên từ thực thể ban đầu.
Từ khi ra đời vào những năm 90 của thế kỷ trước, công nghệ thiết kế ngược (
Reverse Engineering) đã được nghiên cứu, áp dụng trong nhiều lĩnh vực phát triển
nhanh sản phẩm, đặc biệt là trong lĩnh vực thiết kế mơ hình 3D từ mơ hình đã có sẵn
nhờ sự trợ giúp của máy tính. Kỹ thuật thiết kế ngược ngày càng phát triển theo sự
phát tiển của các phần mềm CAD/CAM. Nó ln được quan tâm và cũng liên tục
được cải tiến để đáp ứng nhu cầu của xã hội trên nhiều lĩnh vực sản xuất. RE trở thành
một bộ phận quan trọng của sản xuất hiện tại. Đã có nhiều cơng ty của nhiều quốc gia
ứng dụng hiệu quả và rất thành công với cơng nghệ này. Có thể thấy Trung Quốc là
một điển hình. Nhiều sản phẩm như xe máy, ơ tơ, máy móc hàng loạt đồ gia dụng, đồ
chơi đã được sản xuất dựa trên sự sao chép các mẫu có sẵn trên thị trường của các
SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG
3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
hãng nổi tiếng của Nhật, Hàn Quốc như Honda, Misubishi, Toyota .(Hình 1.2 là một
ví dụ minh họa)
Sản phẩm thực
Qt mẫu bằng máy ATOS
Mơ hình hóa các bề mặt
Sản phẩm sơn trắng để qt
Mơ hình sản phẩm sau khi qt
Mơ hình CAD xây dựng lại
Hình 1.2: Quy trình lấy mẫu áp dụng cơng nghệ thiết kế ngược
Ở Việt Nam, trong những năm trở lại đây công nghệ thiết kế ngược cũng đã
được áp dụng vào sản xuất. Tuy nhiên phần lớn chưa mang tính chuyên nghiệp. Ví
dụ như các công ty sản xuất, chế tạo khuôn cho các mặt hàng nhựa, thường khi nhận
đơn đặt hàng của các đối tác làm một bộ khuôn cho một mẫu sản phẩm cho trước thì
đa số việc số hóa mơ hình lấy dữ liệu đều thực hiện một cách thủ công, đo vẽ bằng
SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG
4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
tay. Việc ứng dụng các thiết bị số hóa cơng nghệ cao chun dụng, các phần mềm
thiết kế ngược vẫn chưa nhiều. Chỉ có một số ít cơng ty có thể làm theo hợp đồng như
cơng ty Hàn Quốc, trung tâm dịch vụ công nghệ 3D hay các viện trường đại học như
trường Đại Học GTVT, Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, Đại Học Bách Khoa
Hà Nội có máy quét 3D nhưng chủ yếu vẫn là phục cho học tập và nghiên cứu.
1.3.2 Ưu nhược điểm của công nghệ thiết kế ngược
*Ưu điểm
+ Kiểm tra chất lượng sản phẩm bằng cách so sánh mơ hình CAD với sản phẩm, từ
đó điều chỉnh mơ hình hoặc các thông số công nghệ để tạo ra sản phẩm đạt u cầu.
+ Mơ hình CAD đựơc sử dụng như là mơ hình trung gian trong q trình thiết kế
bằng cách tạo sản phẩm bằng tay trên đất sét, thạch cao, sáp…rồi qt hình để tạo mơ
hình CAD. Từ mơ hình CAD này người ta sẽ chỉnh sửa theo ý muốn.
+ Giảm bớt thời gian chế tạo dẫn tới năng suất cao.
+ Chế tạo được nguyên mẫu mà không cần bản thiết kế.
* Nhược điểm.
+ Cần có cơng nghệ hiện đại là các loại máy quét hình.
+ Giá thành cao.
1.3.3 Quy trình cơng nghệ thiết kế ngược
Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện đại, quá trình sản xuất
sản phẩm ngày càng được chun mơn hóa, việc chế tạo ra một loại sản phẩm được
chia tách thành nhiều cơng đoạn riêng biệt nhưng có quan hệ mật thiết với nhau theo
một tiêu chuẩn chung thống nhất hợp thành quy trình sản xuất. Tuy có nhiều cải tiến
mới song qui trình sản xuất hiện nay nhìn chung đều được biểu hiện bằng 2 sơ đồ
(Hình 1.3).
SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG
5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Trong quy trình thiết kế thuận, xuất phát từ ý tưởng thiết kế (của người thiết kế
hoặc của khách hàng mô tả sản phẩm), người thiết kế phác thảo sơ bộ sản phẩm (bản
vẽ CAD). Bản vẽ phác thảo này sẽ được tính tốn, phân tích, kiểm tra các thơng số
kỹ thuật, tính cơng nghệ (Dữ liệu được chuyển từ CAD sang CAE). Sau đó mơ hình
sẽ được tối ưu hóa đưa ra bản vẽ thiết kế (bản vẽ CAD) hoàn chỉnh. Tiếp theo qua
các bước chuẩn bị cơng nghệ (CAPP), lập trình gia cơng (CAM), mơ phỏng và chế
tạo thử mẫu sản phẩm bằng phương pháp tạo mẫu nhanh (RP) hoặc trên các máy công
cụ, máy CNC. Mẫu sản phẩm chế tạo này sẽ được đem đi kiểm tra thực tế xem có
thỏa mãn các yêu cầu đặt ra hay khơng. Nếu khơng đạt thì sẽ quay về chỉnh sửa lại từ
bản vẽ phác thảo. Tiếp tục quá trình trên cho tới khi mẫu sản phẩm đạt yêu cầu thì
mới đưa vào sản xuất thực sự.
Hình 1.3: Quy trình thiết kế thuận và Quy trình thiết kế ngược
Cịn trong quy trình thiết kế ngược chúng ta làm ngược lại. Xuất phát điểm là
một mẫu sản phẩm thực tế (Physical part). Mẫu sản phẩm thực này được số hóa và sử
lý bằng các thiết bị và phần mềm chun dụng để đưa ra mơ hình CAD cụ thể. Sau
đó được mơ hình CAD cho sản phẩm rồi thì các cơng đoạn tiếp theo cũng giống như
SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG
6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
chu trình sản xuất thuận trải qua các bước tính tốn, phân tích, tối ưu hóa trên các
phần mềm CAE/CAM, chuẩn bị công nghệ (CAPP) gia công tạo mẫu nhanh hoặc lập
trình gia cơng trên máy CNC hay các máy công cụ khác, kiểm tra thực tế cuối cùng
mới đưa vào sản xuất đại trà.
1.3.4 Các ứng dụng của cơng nghệ thiết kế ngược
Với tính ưu việt của mình là mơ hình hóa được nhiều chi tiết (kể cả các chi tiết
có độ phức tạp cao) một cách nhanh chóng và chính xác đáp ứng tối đa các nhu cầu
đa dạng của thị trường trong rất nhiều lĩnh vực :
* Trong lĩnh vực nghệ thuật.
Hình 1.4: Cơng nghệ RE dựng mơ hình CAD cho các tác phẩm nghệ thuật
Hình 1.5: Ứng dụng cơng nghệ tái tạo lấy mẫu hoa văn thủ công
Trong lĩnh vực này công nghệ thiết kế ngược được thể hiện ở việc sao chép hoặc
phân tích các đặc điểm, nét vẽ của các kiệt tác hội họa, điêu khắc. Thông thường với
các chi tiết yêu cầu cao về tính thẩm mỹ, sản phẩm được mơ hình hóa bởi các nhà kỹ
thuật (Stylist) trên các chất liệu như đất sét, chất dẻo, gỗ... Tuy nhiên các tác phẩm
hay các kiệt tác nghệ thuật chỉ là kết quả của một vài nhà nghệ thuật, nhà thiết kế nào
đó, trong khi đó ai cũng muốn được có, muốn được thưởng thức chúng. Nhu cầu thị
SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG
7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
trường đòi hỏi các sản phẩm phải có 1 số lượng lớn theo một vài phong cách, hay sản
phẩm của một số nhà thiết kế mà tác phẩm của họ đã được khẳng định trên thị trường.
Để đáp ứng nhu cầu đó cần có được mơ hình CAD của sản phẩm mong muốn. Việc
này chỉ có thể thực hiện được bằng công nghệ thiết kế ngược. Với các thiết bị hiện
đại và sự trợ giúp của máy tính chúng ta có thể xây dựng được các dự liệu CAD giống
hệt mơ hình thật do các nhà mỹ thuật tạo ra với dung sai nhỏ (hình 1.6, hình 1.7).
Cơng nghệ RE có vai trị rất lớn trong cải tiến mẫu mã sản phẩm. Yêu cầu về thời
gian không cho phép chúng ta khi chế tạo một mẫu mã mới, có thể bắt đầu chu trình
sản xuất từ khâu phác thảo thiết kế tới tính tốn, tối ưu, chế thử kiểm tra kiểm nghiệm
mới đưa vào sản xuất vì q trình trên tốn rất nhiều thời gian, cơng sức. Do vậy mà
chúng ta phải biết kế thừa các mẫu sản phẩm đã được tối ưu, đạt các tiêu chuẩn kiểm
tra, trên cơ sở đó ta thiết kế lại phù hợp với yêu cầu mới để có được một mẫu mã mới.
Như vậy sẽ giảm được thời gian thiết kế, rút ngắn thời gian đưa sản phẩm vào thị
trường, tức là giảm thời gian của chu trình sản xuất (Lead time). Với nhu cầu của thị
trường thay đổi liên tục từng ngày như hiện nay, công ty nào sớm đưa ra được mẫu
mã mới sẽ chiếm được thị phần và giành được lợi nhuận cao nhất. Cịn cơng ty nào
đưa ra sản phẩm mới chậm hơn sẽ khơng cịn cơ hội có được lợi nhuận.
Mơ hình qt mẫu sản phẩm
Mơ hình CAD đưa ra
Hình 1.6: Ứng dụng RE thiết kế lại sản phẩm cơ khí phức tạp
Cơng nghệ RE cịn được sử dụng khi cần thay thế một chi tiết, bộ phận mà nhà
sản xuất khơng cịn cung cấp, chúng ta phải chế tạo lại chúng mà khơng hề có bản vẽ
thiết kế. Hay khi muốn sản xuất theo mẫu mã mới tối ưu trên thị trường mà nhà thiết
SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG
8
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
kế ra chúng làm mất, làm hỏng, hoặc không muốn cung cấp tài liệu thiết kế. Đặc biệt
là khi sản phẩm có hình dạng rất phức tạp, khó miêu tả như hình người, hình con vật.
Trong khảo cổ học, cơng nghệ RE cho phép khơi phục hình dạng của các sinh
vật thời tiền sử dựa trên các hóa thạch cổ thu được trong đất, đá, hay trong băng mà
không hề làm tổn hại hay phá hoại mẫu hóa thạch đó. RE cịn cho phép chúng ta dựng
lại các mẫu tượng cổ, khơi phục lại các cơng trình kiến trúc, nghệ thuật cổ đã bị tàn
phá trong lịch sử
Hình 1.7: Ứng dụng RE trong khảo cổ học
Trong y học: Công nghệ thiết kế ngược cho phép chúng ta có thể tạo ra các bộ
phận cơ thể phù hợp cho từng bệnh nhân trong thời gian ngắn để thay thế các khuyết
tật, các bộ phận hỏng, bị tổn thương, bị hư hại do tai nạn hoặc do bẩm sinh như xương,
khớp, răng hàm, mảnh sọ não…
Mơ hình CAD
Chương trình gia cơng
Khn bằng nhơm
Hình 1.8: Ứng dụng RE tạo mảnh sọ não dùng trong y học
SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG
9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Trong thời trang, RE trợ giúp đắc lực cho các nhà thiết kế tạo các trang phục,
các mẫu mã theo hình dáng con người.
Hình 1.9: Sử dụng RE thiết kế nhân vật và môi trường trong Game
Công nghệ RE còn được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giải trí, mơ phỏng
như thiết kế các nhân vật trong Game 3D, tạo các môi trường giao diện ảo trong
Game phục vụ giả trí, làm phim ảnh hay mơ phỏng một q trình nào đó phục vụ cho
một mục đích nào đó.
Cơng nghệ RE cịn được áp dụng trong một vài lĩnh vực khác nữa. Nói chung
cứ ở đâu cần thiết kế đưa ra mơ hình CAD thì ở đó có thể áp dụng cơng nghệ RE. Xu
hướng của nền sản xuất hiện đại hướng đến tiêu chí JIT (Just – In– Time là tiêu chí
ngắn thời gian chế tạo sản phẩm). Với tiêu chí, khoảng thời gian từ lúc đặt hàng sản
phẩm cho đến khi có sản phẩm thật đã rút ngắn đi rất nhiều, có thể tính theo ngày,
theo giờ thay vì tính theo q, theo tuần hay theo tháng trước kia. Với tính ưu việt về
thời gian và độ chính xác, cơng nghệ thiết kế ngược hứa hẹn sẽ là công nghệ thiết kế
chủ đạo của nền sản xuất.
Hình 1.10: Quy trình sản xuất tạo khn mẫu
SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG
10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.3.5 Nguyên lý máy quét Scan 3D
Công nghệ Scan 3D là một trong ứng dụng của công nghệ đo khơng tiếp xúc.
Trong q 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 3D như: Faro Arm,
Metris, Konika… Mỗi hãng có phần mềm Scan 3D 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...
Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý máy quét laser 3D
a) Nguyên lý làm việc của máy scan laser 3D
Hình 1.12: Quan hệ dịch chuyển vật và dịch chuyển ảnh
SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG
11
