ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
o0o LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC TÁI TẠO
NGƯỢC KHI SỬ DỤNG TRUNG TÂM GIA
CÔNG VMC-85S
Học viên : Nguyễn Tuấn Hưng
Hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè
1.2.2.
Phương pháp cơ học
16
1.2.3.
Máy đo toạ độ 3 chiều CMM
16
1.3.
Công nghệ CAD/CAM
21
1.3.1.
Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính CAD
22
1.3.2.
Sản xuất với trợ giúp của máy tính CAM
24
1.3.3.
Phần mềm sử dụng trong luận văn để sử lý dữ liệu quét
27
1.3.3.1.
Phần mềm Geomagic studio
27
1.3.3.2.
Phần mềm Rapidform XOR
29
1.3.3.3.
Phần mềm Catia
30
1.3.3.4.
Phần mềm Mastercam
31

Xây dựng bề mặt
42
2.3.1.
Các bước xây dựng bề mặt
42
2.3.1.1.
Xây dựng lưới tam giác từ các đám mây điểm
42
2.3.1.2.
Đơn giản hoá lưới tam giác
43
2.3.1.3.
Chia nhỏ lưới
44
2.3.2.
Các mô hình hình học
44
2.3.2.1.
Mô hình hình học
44
2.3.2.2.
Mô hình lưới
44
2.3.2.3.
Mô hình bề mặt
45
2.3.2.4.
Mô hình khối đặc
45
2.4.

TÁI TẠO NGƯỢC

3.1.
Sai số về hình dáng hình học và vị trí tương quan
65
3.2.
Phân tích và đánh giá độ chính xác gia công về hình
dáng hình học và vị trí tương quan
66
3.2.1
Sai số do quét hình
68
3.2.2
Sai số khi tạo lưới tam giác
71
3.2.3
Sai số do đơn giản hoá lưới tam giác
73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3
3.2.4
Sai số do chia nhỏ ô lưới
79
3.2.5
Sai số khi hiệu chỉnh bề mặt
79
3.3

Máy đo toạ độ 3 chiều
RE
Reverse engineering
Kỹ thuật tái tạo ngược Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4
Co-or. Sys
Coordinate System
Hệ toạ độ
VMC
Vertical machining center
Trung tâm gia công đứng
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
CAP
Computer Aided Planning

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5
Hình 1.3.
Measuring System COMET

Hình 1.4.
Nguyên lý nhận điểm

Hình 1.5.
Cấu tạo máy CMM

Hình 1.6.
Các loại đầu dò dùng cho máy CMM

Hình 1.7.
Máy đo CMM thông dụng kiểu cầu

Hình 1.8.
Máy CMM kiểu Grantry của B&S

Hình 1.9.
Máy CMM kiểu Cantiver của Tarrus

Hình 1.10
Quy trình chỉnh sửa dữ liệu quét của Geomagic studio

Hình 2.1

Xây dựng bề mặt gia công

Hình 2.12.
Bề mặt gia công

Hình 2.13.
Thiết kế chương trình gia công trên Mastercam

Hình 2.14
Kích thước cơ bản của sản phẩm

Hình 2.15.
Khai báo phôi, vật liệu và hệ điều khiển

Hình 2.16.
Thiết lập các thông số công nghệ

Hình 2.17.
Các kiểu đường chạy dao thường dùng

Hình 2.18.
Mô phỏng quá trình gia công

Hình 2.19.
Giao diện phần mềm DNC Server
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Hình 3.5
Mặt quét hình phi tham số

Hình 3.6
Dữ liệu biên của mặt cong tam giác

Hình 3.7
Mặt cong Gregory tam giác

Hình 3.8
Mặt lưới đa thức chuẩn tắc bậc 3 kép

Hình 3.9
Mặt lưới Ferguson

Hình 3.10
Mặt lưới Bezier bậc 3 kép

Hình 3.11
Mặt lưới B-spline đều bậc 3 kép PHẦN MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ
trên tất cả các lĩnh vực thì các sản phẩm cơ khí ngày càng có yêu cầu cao hơn

các vấn đề sau
Tổng quan về kỹ thuật tái tạo ngược
Hệ thống công nghệ và thực nghiệm
Phân tích - Đánh giá độ chính xác tái tạo ngược Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8
Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo
Phương pháp nghiên cứu
Lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, trong đó thực nghiệm giữ vai trò
chính.
Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu đánh giá độ chính xác tái tạo ngược khi sử
dụng trung tâm gia công VMC - 85S từ dữ liệu đo trên máy đo 3 chiều
CMM, đưa ra được dự báo để khắc phục sai số gia công và sai số tái tạo
ngược.
Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài mang tính ứng dụng cao, kết quả nghiên cứu của
đề tài sẽ được ứng dụng trực tiếp trong thiết kế, tạo mẫu sản phẩm và chế
tạo khuôn mẫu tại Việt Nam
Dự kiến kết quả đạt được: Từ nội dung nghiên cứu về kỹ thuật tái tạo
ngược trên cơ sở sử dụng các hệ thống thiết bị và công nghệ tại trường Đại
học Kỹ thuật Công nghiệp, đề tài dự kiến sẽ đạt được kết quả sau:
Ứng dụng được máy đo 3 chiều CMM-C544 và các phần mềm
CAD/CAM, trung tâm gia công VMC-85S trong kỹ thuật tái tạo ngược
Phân tích và đánh giá được độ chính xác tái tạo ngược từ đó đưa ra
được dự báo sai số trong kỹ thuật tái tạo ngược trên máy CMM - C544
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TÁI TẠO NGƯỢC
Hình 1.1. Một số sản phẩm tái tạo ngược
Để tạo được mẫu của những sản phẩm này, trước đây người ta đo rồi vẽ
phác 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 có
hình dáng hình học phức tạp.
Ngày nay người ta đã sử dụng máy đo 3 chiều CMM hoặc máy quét
hình để quét hình các 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 dưới
dạng khối hoặc bề mặt với độ chính xác cao. Mô hình 3D này có thể được
chỉnh sửa nếu cần. Ngoài việc chế tạo các chi tiết khác nhau, kỹ thuật tái tạo
ngược còn có một số ứng dụng sau đây:
- Kiểm tra chất lượng sản phẩm bằng cách so sánh mô hình CAD với sản
phẩm, từ đó điều chỉnh mô hình hoặc các thông số công nghệ để tạo ra sản
phẩm theo yêu cầu.
- Mô hình CAD được sử dụng như là mô hình trung gian trong quá trình thiết
kế bằng cách tạo sản phẩm thủ công trên đất sét, thạch cao, sáp hoặc cao hơn
là tạo hình trên các máy tạo mẫu nhanh…, rồi sau đó quét hình để tạo mô
hình CAD, mô hình CAD này có thể chỉnh sửa theo ý muốn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11
1.2. Các phương pháp quét hình phổ biến hiện nay.
1.2.1.Phương pháp quang học
Phương pháp quang học là phương pháp dùng ánh sáng để quét lên bề
mặt vật thể bằng ánh sáng laser hay ánh sáng trắng. Cả 2 loại máy này khi
quét đều dùng phương pháp quét không tiếp xúc.

một trong những thiết bị đo được sử dụng phổ biến . Các phần mềm quét sẽ
phân tích các dữ liệu quét được và thể hiện kết quả dưới nhiều loại định dạng
khác nhau.
Độ nhạy của thiết bị luôn là nhân tố quan trọng thỏa mãn nhu cầu quét
hình 3D bằng laze. Nếu quét bằng laser lên vật thể sống ví dụ như người thì
cũng không ảnh hưởng gì đến sức khoẻ hay làm ô nhiễm môi trường.
Máy quét dùng ánh sáng trắng
Máy đo thông dụng của phương pháp này là máy COMET 250. Bằng
phép đo tam giác (triangulation) dùng ánh sáng trắng, hệ thống máy chuyên
ứng dụng cho các bộ phận nhỏ, đòi hỏi chính xác cao như các hình điêu khắc
bằng tay. Bằng kỹ thuật chiếu dùng ánh sáng giao thoa, COMET tạo ra đám
mây dữ liệu chính xác và dày đặc, từ đó tạo điều kiện để tạo ra mô hình 3D
của vật thể.
COMET số hóa bề mặt hình học theo từng vùng nhỏ. Các vùng dữ liệu
tập trung cao được sắp xếp thẳng hàng với nhiều kỹ thuật khác nhau, chính
điều này đã làm cho nó trở thành một hệ thống linh hoạt. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13

Hình 1.3. Measuring System COMET
Chức năng của phần mềm bao gồm xử lý đám mây điểm với tốc độ
cao, tạo ra các mẫu đa giác, tái tạo bề mặt, sắp xếp để thiết kế bằng máy tính
và cho báo cáo về biểu mầu, nhập dữ liệu cho bất kì hệ thống CAD nào.

Hình 1.4. Nguyên lý nhận điểm
Việc quét dùng tia laser hay ánh sáng trắng đều dựa trên nguyên lý
tam giác. Ở biểu đồ trên, nguồn sáng ở đáy chiếu một điểm nằm trong tầm

điểm về độ chính xác và độ phân giải – chúng đều là các kỹ thuật chiếu dùng
ánh sáng. Việc người dùng chọn loại kỹ thuật chiếu nào phụ thuộc vào ứng
dụng. Ánh sáng laser được hội tụ vào 1 tia hay một bản để bao phủ một khu
vực nhất định mỗi lần và do đó chỉ có thể đo một số điểm nhất định nằm trong
dải tia laser đó.
Ánh sáng trắng trong hệ thống COMET, có khả năng bao phủ cả một vùng
mỗi lần. Mỗi lần quét trong vùng này có thể thu được 420000 điểm dữ liệu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15
Hơn nữa, bằng việc chiếu các kiểu bóng đã được mã hóa trong các vùng đó,
rất nhiều điểm nữa có thể đo được so với các điểm thu được khi dùng tia
laser. Điều này cho thấy, hệ thống này quét nhanh hơn nhiều so với đo 3 chiều
CMM.
Hệ thống laser có thể được tạo ra với chi phí thấp hơn. Tuy nhiên, hệ
thống này lại chậm hơn nhiều so với hệ thống dùng ánh sáng trắng.
Về độ chính xác: những hệ thống ứng dụng các nguồn sáng trên đã được xây
dựng nhưng chưa thấy hệ thống nào nổi trội hơn về độ chính xác. Hệ thống
laser dễ bị ảnh hưởng với dữ liệu âm thanh với các bề mặt phản xạ nhưng
cũng có những kỹ thuật để khắc phục vấn đề này. Mỗi lần quét chỉ quét một
vùng nhỏ khoảng 8 inch
2
. Nếu vật quét có kích thước lớn hơn 8’’, sẽ có nhiều
lần quét hơn. Lần quét sau cần “gối” lên lần quét trước đó để có được một vật
hoàn chỉnh.
Có nhiều kỹ thuật để quét những vật lớn và mỗi kỹ thuật sẽ cho ra những
kết quả khác nhau. Một lần nữa, giải pháp quét tối ưu phụ thuộc vào yêu cầu
ứng dụng. Hệ thống quét laser phù hợp với mô hình ô tô cần độ chính xác là

đầu dò để xác định tọa độ các điểm trên một bề mặt của vật thể. Máy đo toạ
độ thường đo các toạ độ theo phương chuyển vị X, Y, Z. Bàn đo được làm
bằng đá granít, đầu đo được gắn trên giá, giá lắp trên thân trượt theo phương
Z, khi đầu đo được điều chỉnh đến một điểm đo nào đó thì 3 đầu đọc sẽ cho ta
biết 3 toạ độ X,Y,Z tương ứng với độ chính xác cao, có thể lên đến 0,1
micromét.
Máy CMM thường thiết kế với 4 phần chính:
- Thân máy
- Đầu dò
- Hệ thống điều khiển hoặc máy tính.
- Phần mềm đo. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

17 Hình 1.5. Cấu tạo máy CMM
Với hệ thống đầu đo cho máy CMM, người ta có thể sử dụng loại đầu dò
tiếp xúc hay đo điểm rời rạc, hệ thống đầu đo laser, hoặc camera. Máy đo
CMM đa cảm biến có thể được trang bị nhiều hơn một cảm biến, camera hoặc
đầu dò.

Hình 1.6. Các loại đầu dò dùng cho máy CMM
Máy đo bằng tay có chuyển vị rất êm, nhẹ nhàng nhờ dùng dẫn trượt
trên đệm khí nén. Để kết quả đo tin cậy, áp suất khi nén cần phải được bảo
đảm như điều kiện kỹ thuật của máy đã ghi nhằm đảm bảo đệm khí đủ áp suất
và làm việc ổn định. Các máy của hãng Mitutoyo thường có yêu cầu áp suất


công nghệ dò. Máy có thể chỉ có hệ điều khiển bằng tay hoặc có hệ điều khiển Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

19
CNC/PC. Các máy CMM thường được sử dụng để đo kích thước, đo kiểm
mẫu, góc, hướng hoặc chiều sâu. Các tính năng chung của máy CMM là có hệ
thống bảo vệ chống va đập, khả năng lập trình on-line, tái tạo ngược, phần
mềm SPC và bù nhiệt độ.
Các thông số cơ bản được quan tâm của máy là các hành trình đo theo trục
X,Y,Z; độ phân giải và trọng lượng vật đo.

Hình 1.7. Máy đo CMM thông dụng kiểu cầu
Về kết cấu, máy CMM gồm nhiều loại :
- Tay gấp
- Kiểu cầu
- Kiểu chìa đỡ
- Kiểu giàn hay trục ngang
Kiểu tay gấp thường là loại máy nhỏ cầm tay, cho phép đầu dò xoay theo
nhiều hướng khác nhau. Máy kiểu cầu là loại có trục đo được lắp thẳng đứng
với một dầm ngang đặt trên 2 trụ đỡ. Máy đo kiểu cầu (theo trục X) giúp mở
rộng phạm vi đo. Với máy đo kiểu chìa đỡ, trục đo được đỡ bởi một kết cấu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

20
đỡ. Máy kiểu giàn có kết cấu khung treo trên các ụ đỡ để có thể mở rộng
pham vi trên các vật được đo. Các máy đo kiểu giàn có cấu trúc tương tự như

tính trong toàn bộ quá trình sản xuất bao trùm cả hai khâu thiết kế và sản xuất.
Cụ thể trong pha thiết kế bao gồm toàn bộ các hoạt động liên quan đến các dữ
liệu kỹ thuật như bản vẽ, các mô hình, các phần tử hữu hạn, bản ghi các chi
tiết và kế hoạch, thông tin chương trình NC. Trong khâu sản xuất, các ứng
dụng của máy tính bao trùm trong lập kế hoạch quá trình, điều độ sản xuất,
NC, CNC, quản lý chất lượng và lắp ráp.
1.3.1. Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính CAD
CAD được định nghĩa là một hoạt động thiết kế liên quan đến việc sử
dụng máy tính để tạo lập, sửa chữa hoặc trình bày một thiết kế kỹ thuật. CAD
có liên hệ chặt chẽ với hệ thống đồ họa máy tính. Các lý do quan trọng có thể
kể đến khi sử dụng hệ thống CAD là tăng hiệu quả làm việc cho người thiết
kế, tăng chất lượng thiết kế, nâng cao chất lượng trình bày thiết kế và tạo lập
cơ sở dữ liệu cho sản xuất. Các bước tiến hành một thiết kế với CAD: Tổng
hợp (xây dựng mô hình động học); phân tích tối ưu hóa (phân tích kỹ thuật);
trình bày thiết kế (tự động ra bản vẽ).
Mô hình hình học
Mô hình hình học là dùng CAD để xây dựng biểu diễn toán học dạng
hình học của đối tượng. Mô hình này cho phép người dùng CAD biểu diễn
hình ảnh đối tượng lên màn hình và thực hiện một số thao tác lên mô hình
như: làm biến dạng hình ảnh, phóng to thu nhỏ, lập một mô hình mới trên cơ
sở mô hình cũ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

22
Từ đó, người thiết có thể xây dựng một chi tiết mới hoặc thay đổi một chi
tiết cũ. Có nhiều dạng mô hình hình học trên CAD. Ngoài mô hình 2D phổ
biến, các mô hình 3D có thể được xây dựng cho phép người sử dụng quan sát
vật thể từ các hướng khác nhau, phóng to thu nhỏ, thực hiện các phân tích kỹ

định trọng tâm Phương pháp phần tử hữu hạn nhằm tính toán sức căng, độ
truyền nhiệt…
Đánh giá thiết kế
Đánh giá thiết kế bao gồm: Tự động xác định chính xác các kích thước,
xác định khả năng tương tác giữa các bộ phận. Điều này đặc biệt quan trọng
trong các thiết kế lắp ráp nhằm tránh hai chi tiết cùng chiếm một khoảng
không gian, kiểm tra động học. Điều này cần đến khả năng mô phỏng các
chuyển động của CAD.
Tự động phác thảo bản vẽ
Lĩnh vực trợ giúp đắc lực thứ tư của CAD là khả năng tự động cho ra các
bản vẽ với độ chính xác cao một cách nhanh chóng. Điều này rất quan trọng
trong quá trình thiết kế và tạo lập hồ sơ thiết kế
1.2.2. Sản xuất với trợ giúp của máy tính CAM
Được định nghĩa là việc sử dụng máy tính trong lập kế hoạch, quản lý và
điều khiển quá trình sản xuất. Các ứng dụng của CAM được chia làm 2 loại
chính: lập kế hoạch sản xuất và điều khiển sản xuất
Lập kế hoạch sản xuất
+ Ước lượng giá thành sản phẩm: Ước lượng giá của một loại sản phẩm
mới là khá đơn giản trong nhiều ngành công nghiệp và được hoàn thành bởi
chương trình máy tính. Chi phí của từng chi tiết bộ phận được cộng lại và giá
của sản phẩm sẽ được xác định. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

24
+ Lập kế hoạch sản xuất với sự trợ giúp của máy tính: Các trình tự thực
hiện và các trung tâm gia công cần thiết cho sản xuất một sản phẩm được
chuẩn bị bởi máy tính. Các hệ thống này sẽ cung cấp các quy trình công nghệ,
tìm ra quy trình tối ưu và tiến hành mô phỏng kiểm nghiệm quy trình đã chọn.