TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CƠ KHÍ BÀI GI Ả NG CHUYÊN ĐỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY 2 Nguyễn Văn Tường, Ph.D. Nha Trang, 2014 1 CHƯƠNG 1 KỸ THUẬT NG Ư Ợ C 1.1. Khái niệm Theo công nghệ CAD/CAM, để gia công sản phẩm thì cần phải thiết kế mô hình CAD rồi lập trình gia công. Tuy nhiên trong thực tế, đôi khi cần chế tạo sản phẩm theo những mẫu có sẵn mà chưa xây dựng được mô hình CAD tương ứng như các đồ cổ, bộ phận con người, động vật,… Để tạo được mẫu của các chi tiết, sản phẩm này, người ta cần phải đo đạc rồi vẽ phác lại hoặc thạch cao dùng sáp in mẫu. Các phương pháp trước đây cho độ chính xác không cao, tốn nhiều thời gian và công sức, đặc biệt là đối với những chi tiết phức tạp. Xuất phát từ nhu cầu thực tế cần thiết kế các mô hình 3D từ các mô hình có sẵn, vào những năm 1990 đã xuất hiện kỹ thuật ngược (Reverse Engineering). Kỹ thuật ngược cho phép xây dựng mô hình CAD 3D của một đối tượng từ mô hình vật lý của nó, dựa trên việc thu thập dữ liệu đám mây điểm trên bề mặt của đối tượng. Kỹ thuật ngược được ứng dụng được ứng dụng rộng rãi để giải quyết các vấn đề như : - Khách hàng cần sản phẩm từ nhà chế tạo không tồn tại nữa. - Nhà chế tạo không còn chế tạo sản phẩm đó nữa, ví dụ sản phẩm đó đã lỗi thời, quá cũ. - Tài liệu thiết kế của sản phẩm gốc bị mất - Tạo dữ liệu để tân trang hoặc chế tạo chi tiết không có dữ liệu CAD, hoặc dữ liệu CAD bị mất. - Kiểm tra và/hoặc so sánh-quản lý chất lượng chi tiết đã chế tạo với mô hình CAD. - Loại trừ một số đặc điểm không tốt của sản phẩm. - Làm mạnh thêm những đặc tính tốt của sản phẩm. - Tạo dữ liệu 3D từ một cá thể, một mô hình hoặc một sản phẩm điêu khắc để tạo, lấy tỉ lệ hoặc tái chế tác phẩm nghệ thuật. - Tạo dữ liệu 3-D từ một mô hình hoặc tác phẩm điêu khắc cho hình ảnh động trong trò chơi và phim ảnh. - Lấy số liệu , đo đạc các vật thể văn hóa hoặc ấn phẩm nghệ thuật trong lĩnh vực khảo cổ, sinh học và các lĩnh vực khoa học khác. - Tạo dữ liệu trong lĩnh vực nha khoa, gia công các bộ cơ thể … - Lấy số liệu, đo đạc kiến trúc và xây dựng. 1.2. Ưu nhược điểm của kỹ thuật ng ư ợ c 1.2.1. Ưu đ i ể m - Giúp phân tích các tính năng tốt và xấu của sản phẩm với sản phẩm đối thủ cạnh tranh, là con đường ngắn nhất để dễ dàng cải thiện hiệu suất sản phẩm và tính năng sản phẩm. - Giảm bớt thời gian chế tạo, nâng cao năng suất. - Chế tạo lại các sản phẩm mẫu mà không cần bản thiết kế. 1.2.2. Nhược đ i ể m - Máy quét có giá thành cao. - Cần có trình độ và thông qua đào tạo các khóa phầm mềm. 1.3. Quy trình kỹ thuật ng ư ợ c 2 Quy trình kỹ thuật ngược được tiến hành qua 3 giai đoạn là quét, xử lý điểm và ứng dụng xây dựng mô hình . 1.3.1. Giai đoạn quét hình: Dùng máy quét hình để quét hình dáng của vật thể. Các thiết bị này có thể là loại máy quét chuyên dùng hay có thể sử dụng chức năng quét trên máy công cụ CNC. Có thể dùng máy quét dạng tiếp xúc (như máy đo toạ độ Coordinate Measuring Machine -CMM) hoặc máy quét dạng không tiếp xúc (máy quét laser, máy chụp) Hình 1.1. a. Máy quét điểm b. Máy quét la s e r Khi sử dụng máy CMM thì đầu dò tiếp xúc với bề mặt cần đo. Mỗi vị trí đo sẽ cho một điểm có toạ độ (x, y, z). Tập hợp các điểm đo sẽ cho một đám mây các điểm. Khi sử dụng máy quét laser thì chùm tia laser từ máy chiếu vào vật thể sẽ phản xạ trở lại cảm biến thu. Hình dạng của toàn bộ vật thể được ghi lại bằng cách dịch chuyển hay quay vật thể trong chùm ánh sáng hoặc quét chùm ánh sáng ngang qua vật. Phương pháp này cho độ chính xác kém hơn phương pháp tiếp xúc. Dung sai đạt được khi dùng phương pháp tiếp xúc từ 0,01 – 0,02 mm trong khi phương pháp không tiếp xúc thì 0,025 – 0,2 mm. Cả 2 phương pháp đều cho dữ liệu vì chi tiết gồm tập các điểm (đám mây điểm). Đám mây điểm này phải được chuyển sang dạng lưới đa giác để xây dựng mặt. Hình 1.2. Quét vật thể dùng máy quét la s e r tích hợp trên máy CMM. 1.3.2. Giai đoạn xử lý đ i ể m: 3 Giai đoạn này liên quan đến nhập dữ liệu đám mây điểm, giảm nhiễu từ dữ liệu thu được và giảm số lượng điểm. Giai đoạn này cũng cho phép chúng ta ghép các bộ dữ liệu đã quét. Đôi khi chúng ta phải quét nhiều lượt để đảm bảo rằng tất cả các đối tượng trên chi tiết được quét hết. Như vậy có thể phải xoay chi tiết cho lần quét tiếp theo. Vì thế chuẩn mỗi lần quét rất quan trọng. Kế hoạch quét nhiều lượt có tác động trực tiếp đến giai đoạn xử lý điểm. Lập chuẩn quét thích hợp sẽ giảm những nỗ lực yêu cầu trong giai đoạn xử lý điểm và cũng tránh sai số từ việc ghép dữ liệu từ các lần quét. Đầu ra của giai đoạn xử lý điểm là một bộ dữ liệu đám mây điểm đã được “nối” từ các lần quét và không có lỗi. Hiện tại có nhiều phần mềm chuyên nghiệp dùng cho xử lý điểm. 1.3.3. Giai đoạn ứng d ụ ng Giai đoạn này người ta tiến hành đa giác hóa từ dữ liệu đám mây điểm. Từ đó tạo ra các bề mặt NURBS hoặc xuất ra file .STL cho mục đích tạo mẫu nhanh hoặc kiểm tra đối chiếu với mô hình CAD. Hầu hết các hệ thống CAD không được thiết kế để hiển thị và xử lý một lượng lớn của dữ liệu điểm. Do đó các modul tạo mẫu nhanh hoặc các gói phần mềm chuyên biệt thường được sử dụng đến cho xử lý điểm. Tạo dữ liệu bề mặt từ bộ dữ liệu đám mây điểm vẫn là một quá trình rất chủ quan mặc dù các thuật toán dựa trên đối tượng bắt đầu xuất hiện cho phép kỹ sư tương tác với dữ liệu đám mây điểm nhằm tạo ra mô hình khối đặc hoàn chỉnh cho các môi trường CAD hiện tại. Giai đoạn này phụ thuộc nhiều vào mục đích thực sự cho kỹ thuật ngược. Ví dụ, nếu ta quét một chi tiết khuôn ép nhựa bị gãy để chế tạo một cái mới thì chúng ta chỉ quan tâm đên việc tạo mô hình hình học của chi tiết và cũng quan tâm đến việc tạo dữ liệu mã ISO G-code dùng cho máy CNC nhằm gia công chi tiết sau này. Chúng ta cũng có thể dùng kỹ thuật ngược để phân tích dữ liệu rồi so sánh với mẫu thiết kế. Phần mềm kỹ thuật ngược cho phép người sử dụng so sánh hai bộ dữ liệu (đã được thiết kế và đã được chế tạo). Quá trình này cũng cho phép kiểm tra chi tiết đã được chế tạo. Đầu ra của giai đoạn này là mô hình hình học ở một trong các định dạng như IGES, VDA, STL, DXF, OBJ, VRML, ISO G Code,… Các hình sau đây mô tả một số công đoạn quét hình và xử lý đầu người : a. Quét hình b. Dữ liệu sau quét c. Tối ưu hóa d. Dựng bề mặ t Hình 1.3. Các gia đoạn quét và xử lý đầu ngườ i 1.4. Một số kỹ thuật thu nhận dữ liệu trong kỹ thuật ngược 1. Dùng máy đo 3 chiều. 2. Dùng máy quét laser. 3. Dùng máy quét ánh sáng cấu trúc (ánh sáng trắng). 1.5. Ứng dụng của kỹ thuật ng ư ợ c Với tính ưu việt của mình là mô hình hóa được nhiều chi tiết (kể 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 : 4 - Trong lĩnh vực nghệ thu ậ t Trong lĩnh vực này kỹ thuật ngược được thể hiện ở việc sao chép hoặc phân tích các đặc điểm, nét vẽ của các kiệt tác hội họa, điêu khắc Hình 1.4. Dùng kỹ thuật ngược dựng mô hình CAD cho các tác phẩm nghệ t huậ t . Hình 1.5. Dùng kỹ thuật ngược lấy mẫu hoa văn thủ c ông. - C ả i ti ế n m ẫ u mã s ả n ph ẩ m Hiện nay, nhu cầu của thị trường thay đổi liên tục từng ngày nên công ty nào sớm đưa ra được mẫu mã mới sẽ chiếm được thị phần và giành được lợi nhuận cao nhất. Kỹ thuật ngược có vai trò rất lớn trong cải tiến mẫu mã sản phẩm, nhờ ứng dụng kỹ thuật ngược sẽ làm 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. Mô hình quét mẫu sản phẩm Mô hình CAD đưa r a Hình 1.6. Ứng dụng kỹ thuật ngược thiết kế lại sản phẩm cơ khí phức t ạp. - Trong hàng không v ũ t r ụ Nhờ ứng dụng của kỹ thuật ngược các kỹ sư hàng không vũ trụ và hàng có thể cung cấp mức độ chính xác cao nhất và chất lượng trong sản xuất, sửa chữa và bảo dưỡng máy bay hay tàu vũ trụ. Ngoài ra kỹ thuật ngược cho phép tạo ra mô hình thế giới thực 3D chính xác cao từ dữ liệu quét 3D, tái tạo một phần, một phần mô phỏng và tạo thành phần mới. Các kỹ sư cũng có thể nhanh chóng sử dụng các kỹ thuật tiên tiến, tự động đo lường và phân tích của các bộ phận để cải tiến. 5 Hình 1.7. Ứng dụng kỹ thuật ngược trong hàng không vũ t rụ. - Trong sản xuất chi tiết máy Kỹ thuật ngược còn được sử dụng khi cần thay thế 1 chi tiết, bộ phận mà nhà sản xuất không còn cung cấp, chúng ta phải chế tạo lại chúng mà không hề có bản vẽ thiết kế. Hay khi muốn sản xuất theo mẫu mã mới tối ưu trên thị trường mà nhà thiết 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 … Hình 1.8. Ứng dụng kỹ thuật ngược lấy mẫu mặt người và động vậ t . - Trong khảo cổ học Kỹ thuật ngược cho phép khôi 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. Kỹ thuật ngược còn cho phép chúng ta dựng lại các mẫu tượng cổ, khôi phục lại các công trình kiến trúc, nghệ thuật cổ đã bị tàn phá trong lịch sử. - Trong y học Hình 1.9. Ứng dụng kỹ thuật ngược trong khảo cổ học. Kỹ thuật ngược đơn giản hoá quá trình tạo ra các thiết bị y tế - như chân tay giả, cấy ghép ốc tai điện tử, các thiết bị điều trị hở hàm ếch và các khớp xương thay thế - và làm tăng chất lượng của chúng, vì vậy giúp cải thiện phù hợp hoàn toàn và giảm đau sau phẫu thuật. Kỹ thuật ngược còn giúp thu thập dữ liệu quét của bộ xương người và dữ liệu quét 3D của hình dạng cơ thể, Nhờ có kỹ thuật ngược cho phép các nhà thiết kế để nhanh chóng tạo ra các sản phẩm xung quanh yêu cầu duy nhất của bệnh nhân. 6 Hình 1.10. Ứng dụng kỹ thuật ngược tạo ra các bộ phận cơ thể dùng trong y học - Trong ngành phim ảnh, trò chơi giải trí Kỹ thuật ngược trợ giúp đắc lực cho các nhà thiết kế tạo các trang phục các mẫu mã theo hình dáng con người. Hình 1.11 Sử dụng kỹ thuật ngược thiết kế nhân vật và môi trường trong game. Kỹ thuật ngược là một thành phần quan trọng trong khi sản xuất một số bộ phim và hoạt hình. Kỹ thuật ngược cung cấp cho các nhà làm phim các khả năng về chi tiết và mô hình hóa cần thiết để làm cho nhân vật trở nên trung thực và như sống. Tương tự như vậy, khi thiết kế game muốn tạo ra một trải nghiệm thật, kỹ thuật ngược cung cấp độ chính xác 3D cần thiết để làm cho sinh vật thần thoại, động vật và con người rất thực sự sống động từ màn hình. Kỹ thuật ngược còn được áp dụng trong một vài lĩnh vực khác nữa. Nói chung cứ ở đâu cần thiết kế đưa ra mô hình CAD thì ở đó có thể áp dụng kỹ thuật ngược. 1.6 Thiết bị dùng trong kỹ thuật ng ư ợ c 1.6.1 Phương pháp tiếp xúc Phương pháp tiếp xúc dùng dùng các máy như máy CMM, máy CNC. Phương pháp này có các đặc điểm sau: - Độ chính xác cao - Chi phí thấp - Có khả năng đo các rãnh sâu, các hốc - Không nhạy với màu sắc hoặc độ trong. - Tốc độ thu thập dữ liệu thấp. - Vật thể mềm có thể bị biến dạng bởi đầu đo. 7 1.6.2 Phương pháp không tiếp xúc Hình 1.12 Máy đo tọa độ. Trong phương pháp này, các hình ảnh thiết diện 2D và các đám mây điểm biểu diễn hình học vật thể được thu thập bởi các nguồn năng lượng chiếu vào vật thể (ánh sáng, âm thanh hoặc trường điện từ) rồi năng lượng phản xạ hoặc năng lượng phát ra được quan sát. Dữ liệu hình học của vật thể được tính bằng các sử dụng phép đạc tam giác, thời gian chiếu sáng, thông tin sóng giao thao và các thuật tóan xử lý ảnh. Hình 1.13 Các phương pháp không tiếp xúc Ưu: - Không có tiếp xúc vật lý. - Số hóa nhanh với thể tích đáng kể. - Độ chính xác và độ phân giải tốt cho các ứng dụng thông dụng. - Có khả năng dò màu. - Có khả năng quét các đối tượng có nhiều tiểu tiết Nhược: 8 - Có khả năng bị hạn chế khi quét các bề mặt có màu, song suốt hoặc bị phản chiếu ánh sáng. - Độ chính xác thấp hơn. 1.6.2.1 Kỹ thuật quang học a. Phép đạc tam giác Hình 1.14 Một số loại máy quét. Hầu hết máy quét laser dùng phép đo đạc tam giác hình học đơn giản để xác định toạ độ mặt của đối tượng cần quét. Hình 1.15 trình bày hai sơ đồ đo đạc tam giác sử dụng các CCD camera. Trên hình 1.15a, hệ thống chỉ có một camera, thiết bị truyền vệt sáng hoặc (đường thẳng) trên đối tượng tại góc đã được định nghĩa trước. CCD camera nhận thấy vị trí phản xạ của điểm (hoặc đường thẳng) lên trên bề mặt. Trên hình 1.15b, hệ thống có 2 CCD camera, ánh sáng đèn chiếu không được hấp thụ trong phạm vi hoạt động và có thể do có sự di chuyển vệt sáng hoặc đường. Theo phương pháp tam giác (hình 1.15a), năng lượng nguồn sáng tập trung và chiếu ra tia sáng là góc lên trên bề mặt đối tượng quét. Thiết bị cảm quang nhận ánh sáng phản chiếu từ các điểm chiếu sáng lên bề mặt. Cố định chiều dài chuẩn L giữa nguồn sáng và camera đã được xác định trước, dùng phương pháp đo tam giác khi biết trước góc , khoảng cách tiêu điểm camera F. Tọa độ 9 ảnh chiếu sáng là điểm P. Vị trí điểm chiếu sáng với tọa độ hệ thống camera có thể tính toán như sau: a) Dùng 1 camera b) Dùng 2 ca m e r a Hình 1.15 Phương pháp đạc tam g iác . Nguồn sáng có ở dạng điểm hoặc đường. Nếu di chuyển nguồn sáng thì có thể quét tòan bộ bề mặt vật thể. Các máy quét dùng phương pháp đạc tam giác có thể được chế tạo dạng một hệ thống hòan chỉnh hoặc ở dạng đầu quét được lắp trên đầu đo của máy CMM. Hình 1.16 Đầu laser lắp trên máy CMM. [...]... năng thứ hai là tạo mẫu nhanh để tạo ra một công cụ mẫu để từ đó hoặc là tạo ra những mẫu hàng loạt, hoặc là tạo ra những khuôn ép phun có tuổi thọ trung bình hoặc ngắn 19 - Tạo mẫu nhanh có thể tạo khuôn từ phương pháp gián tiếp bằng cách chế tạo ra điện cực cho máy gia công tia lửa điện Ưu điểm ở đây là đối với những điện cực có hình dáng rất phức tạp thì phương pháp gia công bằng tạo mẫu nhanh sẽ... triển sản phẩm là tạo mẫu nhanh – Rapid Prototyping (RP) Vậy tạo mẫu nhanh là gì? - Tạo mẫu nhanh là quá trình tạo mẫu sản phẩm giúp cho nhà sản xuất quan sát nhanh chóng sản phẩm cuối cùng - Tạo mẫu nhanh là công nghệ thiết kế mẫu tự động nhờ quá trình CAD với những máy in ba chiều” cho phép người thiết kế nhanh chóng tạo ra những mẫu hữu hình, truyền ý tưởng thiết kế của họ đến công nhân hoặc khách... năng của tạo mẫu nhanh và công cụ nhanh Đối với việc tạo mẫu nhanh và công cụ nhanh, chúng ta có thể tạo từng sản phẩm riêng lẻ, cũng có thể tạo ra hàng loạt nhiều sản phẩm Sơ đồ hình 2.2 dưới đây cho chúng ta thấy được những khả năng có thể của tạo mẫu nhanh và công cụ nhanh Tuy nhiên, vẫn chưa thể hiện được tất cả; bởi vì những phương pháp mới luôn được nghiên cứu, đặc biệt là trong lĩnh vực tạo mẫu... quá trình tạo mẫu nhanh Công nghệ tạo mẫu nhanh bắt đầu từ giữa thập niên 80 Đặc điểm của tạo mẫu nhanh là: - Thực hiện việc tạo mẫu trong thời gian rất ngắn, đây chính là điểm mạnh của phương pháp này - Sản phẩm của tạo mẫu nhanh là có thể dùng để kiểm tra các mẫu được sản xuất bằng các phương pháp khác - Mẫu tạo ra có thể hỗ trợ cho quá trình sản xuất 2.1.2 Phân loại Dựa vào dạng vật liệu tạo mẫu,... gia công bằng CNC - Cuối cùng, có thể tạo khuôn trực tiếp từ công nghệ tạo mẫu nhanh Nếu khả năng này thực hiện được hoàn hảo, có thể đó là một cuộc cách mạng trong lĩnh vực chế tạo khuôn Hiện tại có hai khả năng: khuôn có tuổi thọ ngắn và trung bình bằng vật liệu kim loại và composite, khuôn có tuổi thọ cao hoàn toàn bằng vật liệu kim loại Các sản phẩm được sản xuất tốt bằng RP: - Tạo mẫu concept - Tạo. .. sẽ trải và ép bột lên trên xylanh chế tạo Quá trình được lặp lại đến khi toàn bộ vật thể được chế tạo xong trong nền bột Sau khi hoàn thành, chi tiết được nâng lên và bột dư được quét ra khỏi chi tiết 34 Hình 2.20 Chu trình làm việc và chi tiết được chế tạo bằng quá trình 3DP Hệ thống này được ứng dụng để chế tạo những khuôn chịu nhiệt cao (như đúc kim loại), và để tạo ra những kết cấu lỗ xốp trong... bin, bề mặt khuôn mẫu,… Những bề mặt này khó hoặc không thể gia công chính xác và đạt năng suất cao khi gia công trên các máy 3 trục Trong những trường hợp như thế thì các máy 5 trục sẽ được sử dụng Gia công 5 trục đề cập đến khả năng của một máy CNC có khả năng di chuyển dao hoặc chi tiết gia công trên 5 trục khác nhau cùng một lúc Các máy tiêu chuẩn có thể di chuyển tịnh tiến chi tiết theo hai phương... gia công được tất cả vị trí và góc có thể trên chi tiết gia công Trên hình 3.1 là một số dạng chi tiết được gia công trên máy 5 trục Hình 3.1 Một số dạng chi tiết được gia công trên máy 5 trục Lợi ích của gia công 5 trục: - Gia công được các chi tiết có hình dạng phức tạp như cánh tua-bin hoặc chân vịt - Đạt độ chính xác cao hơn: Những chi tiết đơn giản có hình dạng như một hộp có thể được gia công. .. giữa công cụ nhanh và phay tốc độ cao Hầu hết các vật liệu đều có thể được chế tạo bằng tạo mẫu nhanh, nhưng polyme là vật liệu được sử dụng phỗ biến nhất Nhiều phương pháp mới đang được giới thiệu và những phương pháp cũ không ngừng được cải tiến Trong chương này xin trình bày xin trình bày một số phương pháp tạo mẫu nhanh thông dụng nhất 2.3 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TẠO MẪU NHANH 2.3.1 Phương pháp tạo mẫu... phép tạo mẫu cho quá trình đúc khuôn kim loại nhanh chóng và chính xác * Nhược điểm: - Sản phẩm bị cong vênh - Giá thành hơi cao - Vật liệu sử dụng bị hạn chế - Phải qua giai đoạn hậu xử lý - Chi phí vận hành và bảo trì cao d Các lĩnh vực ứng của phương pháp SLA - Tạo mô hình từ ý tưởng - Tạo mô hình chính xác - Tạo công cụ mẫu - Tạo mẫu phục vụ cho quá trình đúc khuôn kim loại, khuôn cát và tạo khuôn . TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CƠ KHÍ BÀI GI Ả NG CHUYÊN ĐỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY 2 Nguyễn Văn Tường, Ph.D. . được ứng dụng rộng rãi để giải quyết các vấn đề như : - Khách hàng cần sản phẩm từ nhà chế tạo không tồn tại nữa. - Nhà chế tạo không còn chế tạo sản phẩm đó nữa, ví dụ sản phẩm đó đã lỗi. (như máy đo toạ độ Coordinate Measuring Machine -CMM) hoặc máy quét dạng không tiếp xúc (máy quét laser, máy chụp) Hình 1.1. a. Máy quét điểm b. Máy quét la s e r Khi sử dụng máy CMM