LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

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

PHẠM VĂN HUÂN

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT NGƯỢC TRONG THIẾT KẾ
VÀ KIỂM TRA CÁC SẢN PHẨM CƠ KHÍ
CẤU THÀNH TỪ CÁC BỀ MẶT TỰ DO

Chuyên ngành : CHẾ TẠO MÁY
Mã số
: 12BCTM-KT23

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHẾ TẠO MÁY
Người hướng dẫn: TS. BÙI NGỌC TUYÊN

Hà Nội – Năm 2014
MỤC LỤC


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

DANH MỤC HÌNH VẼ........................................................................................IV
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN..........................................................................................................2
CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT....................................................................3
MỞ ĐẦU..................................................................................................................1

3.3.5. Chế độ 3D Mesh Sketch:...................................................................................................................37


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY
3.3.6 Chế độ 3D Sketch:..............................................................................................................................38
3.4. Chế độ làm việc chung:.................................................................................................................................39

KẾT LUẬN............................................................................................................42
CHƯƠNG IV:........................................................................................................43
PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC HÌNH HỌC.....43
CÁC BỀ MẶT TỰ DO..........................................................................................43
4.1. Giới thiệu bề mặt tự do..................................................................................................................................43
4.2. Phương pháp kiểm tra đánh giá trong kỹ thuật ngược...........................................................................44
4.3. Quy trình đo kiểm sản phẩm trên phần mềm Geomagic.........................................................................46

KẾT LUẬN............................................................................................................48
CHƯƠNG V...........................................................................................................49
THỰC NGHIỆM ỨNG DỤNG KỸ THUẬT NGƯỢC TRONG THIẾT KẾ VÀ
KIỂM TRA MẪU CÁNH QUẠT CHIP MÁY TÍNH.........................................49
5.1 Thiết kế lại mẫu bằng phần mềm Rapiform...............................................................................................49
5.1.1. Quét mẫu............................................................................................................................................49
5.1.2. Thiết kế lại sử dụng phần mềm Rapidform........................................................................................50
5.2. Gia công chế tạo mẫu.....................................................................................................................................57
5.3. Kiểm tra độ chính xác gia công bằng phần mềm Geomagic...................................................................85

KẾT LUẬN............................................................................................................87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...............................................................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................89




LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

HÌNH 3.1 . SO SÁNH THỜI GIAN THIẾT KẾ MÔ HÌNH GIỮA CÁC
NHÓM PHẦM MỀM............................................................................................23
HÌNH 3.2.BẢNG FEATURE TRÊN CÂY THƯ MỤC FREE...........................24
HÌNH 3.3 MENU PHỤ CÂY THƯ MỤC TREE.................................................25
HÌNH 3.5. MENU PHỤ TRÊN MODEL.............................................................26
HÌNH 3.6. BẢNG DISPLAY.................................................................................27
HÌNH 3.7. ĐƠN GIẢN HÓA KHI XOAY MÔ HÌNH........................................28
HÌNH 3.8. HIỂN THỊ RÀNG BUỘC SKETCH..................................................28
HÌNH 3.9. HIỂN THỊ CÁC ĐIỂM NÚT TRÊN SPLINE..................................28
HÌNH 3.10. HÌNH ẢNH 6 CHẾ ĐỘ CỦA PHẦN MỀM RAPIDFORM XOR.29
HÌNH 3.11. CHẾ ĐỘ MESH................................................................................29
HÌNH 3.12. CÁC CÔNG CỤ TRONG CHẾ ĐỘ MESH....................................29
HÌNH 3.13. LỆNH FILL HOLES........................................................................30
HÌNH 3.14. SỬ DỤNG ADD BRIDGE................................................................30
HÌNH 3.15. BẢNG CHỌN DECIMATE.............................................................31
HÌNH 3.16. CHỈNH ĐƯỜNG BIÊN CỦA MÔ HÌNH........................................31
HÌNH 3.17. CHỈNH MẬT ĐỘ LƯỚI TAM GIÁC.............................................31
HÌNH 3.18. TÙY CHỌN OPTIMIZE MESH......................................................32
HÌNH 3.19. ĐIỀU CHỈNH ĐỘ MỊN CỦA LƯỚI TAM GIÁC..........................32
HÌNH 3.20. CÁC MỨC ĐỘ HIỆU CHỈNH SHARPANESS..............................33
HÌNH 3.21. CÁC MỨC ĐỘ HIỆU CHỈNH OVERALL SMOOTHNESS........33
HÌNH 3.22. HIỆN THỊ CÁC BỀ MẶT BỊ LỖI...................................................34
HÌNH 3.23. BỀ MẶT VỚI 2 CẠNH HỞ HÌNH 3.24. BỀ MẶT VỚI 3 CẠNH
HỞ........................................................................................................................... 34
HÌNH 3.25. BỀ MẶT BỊ LỖI DẠNG ĐƯỜNG HẦM........................................34
HÌNH 3.26. PHÂN VÙNG LẠI CÁC BỀ MẶT LỖI..........................................35
HÌNH 3.27. MINH HỌA ĐIỀN TỰ ĐỘNG CÁC VÙNG BỊ THIẾU................35

HÌNH 5.10. MÔ HÌNH 1 CÁNH QUẠT..............................................................55
HÌNH 5.11 DÙNG LỆNH PATTEM....................................................................56
HÌNH 5.12. BẢNG SO SÁNH MÔ HÌNH THIẾT KẾ VÀ ĐÁM MÂY ĐIỂM 57
HÌNH 5.13. MẪU THIẾT KẾ BẰNG PHẦN MỀM RAPIDFORM XOR........58
HÌNH 5.14. STOCK SETUP CÁNH QUẠT........................................................59


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

HÌNH 5.15. PHÔI GIA CÔNG.............................................................................59
HÌNH 5.16. 2D TOOLPATHS - FACING...........................................................60
HÌNH 5.17. CHAIN MANAGER - FACING.......................................................60
HÌNH 5.18. DEFINE TOOL - FACE MILL........................................................61
HÌNH 5.19. CUT PARAMETERS.......................................................................62
HÌNH 5.20. DEPTH CUTS...................................................................................62
HÌNH 5.21. LINKING PARAMETERS..............................................................63
HÌNH 5.22. PLANES (WCS)................................................................................64
HÌNH 5.23. COOLANT - FACING......................................................................64
HÌNH 5.24. ĐƯỜNG CHẠY DAO MÔ PHỎNG - FACING.............................65
HÌNH 5.25. 2D TOOLPATHS – CONTOUR......................................................65
HÌNH 5.26. CHAIN MANAGER – CONTOUR.................................................66
HÌNH 5.27. DEFINE TOOL – CONTOUR.........................................................67
HÌNH 5.28. ĐƯỜNG CHẠY DAO MÔ PHỎNG – CONTOUR........................68
HÌNH 5.29. SURFACE ROUGH – PARALLEL................................................68
HÌNH 5.30. DRIVE- SURFACE ROUGH PARALLEL....................................69
HÌNH 5.31. CHECK- SURFACE ROUGH PARALLEL...................................70
HÌNH 5.32. DEFINE TOOL - SURFACE ROUGH PARALLEL.....................70
HÌNH 5.33. PLANES - SURFACE ROUGH PARALLEL.................................71
HÌNH 5.34. SURFACE PARAMETERS - SURFACE ROUGH PARALLEL. 71
HÌNH 5.35. ROUGH PARALLEL PARAMETERS - SURFACE ROUGH


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa

được ai công bố trong bất kỳ một công trình khác, trừ những phần tham khảo
được ghi rõ trong luận văn.
Tác giả

Phạm Văn Huân


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy Bùi Ngọc Tuyên đã nhiệt tình
hướng dẫn thực hiện đề tài.
Tác giả gửi lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô trong Bộ môn Gia công vật
liệu & Dụng cụ cắt _ Viện Cơ khí Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tác giả xin cảm ơn
Ban Giám Hiệu Nhà Trường và Viện Đào Tạo Sau Đại Học Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn
Mặc dù bản thân đã thực sự cố gắng trong quá trình thực hiện đề tài, nhưng chắc
chắn sẽ không tránh khỏi có những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được những
góp ý đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp
Hà Nội, ngày .... tháng... năm 2014
Tác giả luận văn

Phạm Văn Huân


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

Với sự tận tình giúp đỡ và định hướng nghiên cứu của TS Bùi Ngọc Tuyên, tác
giả đã chọn đề tài: “Ứng dụng kỹ thuật ngược trong thiết kế và kiểm tra các sản
phẩm cơ khí cấu thành từ các bề mặt tự do”.
2. Mục tiêu thực hiện đề tài
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu chủ yếu của đề tài là:
- Làm chủ được các chức năng trong phần mềm Rapidform XOR, thiết kế được các
mô hình sản phẩm trong thực tế
- Tìm hiểu máy quét 3D
- Tìm hiểu quy trình quét mẫu và thiết kế mô hình với kỹ thuật ngược
- Tìm hiểu quy trình kiểm tra sản phẩm cơ khí cấu thành từ các bề mặt tự do
1


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

3. Đối tượng nghiên cứu
- Tìm hiểu về kỹ thuật ngược trong thiết kế và kiểm tra sản phẩm cơ khí cấu thành
từ các bề mặt tự do
- Máy quét 3D ViVid 9i
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu khai thác phần mềm Rapidform XOR vận dụng kỹ năng sử dụng phần
mềm, tìm hiểu cách sử dụng máy quét ViVid 9i, tìm hiểu phương pháp đánh giá độ
chính xác hình học các bề mặt tự do kết hợp với lý thuyết chuyên nghành Chế tạo
máy để thiết kế và lập trình gia công trên máy phay CNC.
Thực nghiệm thiết kế lại chi tiết quạt chip trong case máy tính và với máy quét
laser kiểm tra độ chính xác gia công
5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
* Ý nghĩa khoa học:
- Luận văn xây dựng quy trình ứng dụng kỹ thuật ngược trong thiết kế, kiểm tra
mẫu có bề mặt tự do


3


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

có sẵn để tối ưu hóa dữ liệu, xây dựng chỉnh sửa mô hình CAD và sử dụng dữ liệu
CAD đó để chế tạo ra bản sao bằng gia công CNC, tạo mẫu nhanh…
Trong công nghệ gia công truyền thống, để chế tạo ra sản phẩm từ ý tưởng hoặc
nhu cầu sản xuất, người ta thiết kế mô hình CAD, phác thảo sản phẩm, tính toán
thiết kế, chế thử, đưa ra phương án tối ưu, rồi gia công trên máy công cụ.
Trong vài chục năm gần đây, xuất hiện dạng sản xuất theo chu trình mới, chế tạo
sản phẩm theo sản phẩm có sẵn, nhiều khi người ta cần chế tạo ra các mẫu có sẵn
mà chưa (hoặc không) có mô hình CAD tương ứng như một số loại sản phẩm:
- Các sản phẩm đồ cổ
- Những chi tiết đã ngừng sản xuất từ lâu
- Những chi tiết không rõ xuất xứ, tài liệu thiết kế của sản phẩm gốc không còn
- Những tác phẩm điêu khắc
- Những chi tiết phức tạp
- Các bộ phận cơ thể con người và động vật dùng trong kỹ thuật cấy ghép
Để tạo được mẫu của những sản phẩm này, trước đây người ta đo đạc trực tiếp từ
sản phẩm rồi vẽ phác lại hoặc dùng sáp, thạch cao để in mẫu. Các phương pháp này
cho độ chính xác không cao, tốn nhiều thời gian và công sức, đặc biệt là những chi
tiết phức tạp.
Ngày nay người ta đã sử dụng máy đo 3 chiều CMM hoặc máy quét hình để quét
hình dáng của những chi tiết. Sau khi quét hình đều cho dữ liệu là đám mây điểm,
nhờ phần mềm CAD/CAM chuyên dụng để xử lý dữ liệu quét và phải chuyển sang
dạng lưới tam giác để xây dựng mô hình bề mặt, và cuối cùng tạo ra được mô hình
CAD 3D dưới dạng khối (Solid) hoặc dạng bề mặt (Surface) với độ chính xác cao.
Mô hình 3D này có thể chỉnh sửa lại kết cầu theo ý muốn nếu cần

- Lĩnh vực nghệ thuật: với nhu cầu chế tạo các sản phẩm điêu khắc…
1.3 Ưu nhược điểm của kỹ thuật ngược
* Ưu điểm
- Rút ngắn được thời gian chế tạo, mang lại năng suất cao trong sản xuất
- Từ mô hình CAD từ công nghệ này, có thế chỉnh sửa, thiết kế theo ý muốn một
cách linh hoạt, mà trước đây chúng ta cần phải tạo mô hình mẫu thử từ đất sét,
thạch cao…
- Có thể kiểm tra nhanh chóng chất lượng sản phẩm thông qua mô hình CAD ban
đầu và máy Scan
- Dễ dàng tái tạo lại nhiều mô hình mà không cần có bản vẽ CAD

5


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

* Nhược điểm
- Giá thành quét mẫu và thiết kế cao
- Thiết bị máy quét với giá thành cao
1.4. Các giai đoạn của kỹ thuật ngược
Kỹ thuật ngược được chia làm 2 giai đoạn
- Giai đoạn thu nhận dữ liệu
- Giai đoạn xử lý, ứng dụng dữ liệu
Quá trình thực hiện có thể tổng quát bằng sơ đồ sau:

Hình 1.2: Sơ đồ các giai đoạn của kỹ thuật ngược
* Giai đoạn thu nhận dữ liệu ( giai đoạn dùng máy quét hình )

6


CHƯƠNG II.
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO, QUÉT DỮ LIỆU VÀ MÁY SCAN 3D
Căn cứ vào phương pháp đo dữ liệu, phân loại thành 2 phương pháp đo:
- Phương pháp đo tiếp xúc
- Phương pháp đo không tiếp xúc
2.1. Phương pháp đo tiếp xúc
Phương pháp đo tiếp xúc: dùng đầu đo, tiếp xúc trực tiếp với bề mặt của chi tiết.
Với các vị trí tiếp xúc đã lập trình trước hoặc điều khiển bằng tay và được liên tục
ghi lại các vị trí tọa độ nhận được
Đây là phương pháp đo các thông số theo phương pháp tọa độ và dùng các máy đo
tọa độ 3 chiều ( CMM_ Coordinate Mesuring Machine )
Máy đo toạ độ thường là các máy đo các 3 phương chuyển vị đo X, Y, Z. Cấu hình
vật lý của máy đo CMM kiểu tiếp xúc khá đa dạng nhưng chúng đều có điểm chung
là cung cấp các chuyển động tương đối cho đầu đo theo 3 trục đối với chi tiết.
Có hai loại máy đo dạng này:
+ Máy đo với đầu đo được chỉ dẫn bằng tay
Loại máy được dẫn động bằng tay vận hành đơn giản, nhẹ nhàng nhờ dùng dẫn
trượt bi, tuy nhiên loại này có độ chính xác thấp hơn
+ Máy đo với đầu đo được lập trình bằng chương trình số

Máy đo tọa độ CMM

Đầu đo bằng tay

Đầu đo CNC

Hình 2.1: Máy đo và đầu đo dùng trong phương pháp đo tiếp xúc

8


2.3. Máy quét mẫu 3D laser

2.3.1. Giới thiệu chung về máy Scan Laser

9


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

Đây là một trong các thiết bị đo không tiếp xúc (sử dụng tia công nghệ Scan laser).
Trong quá 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 Laser như: Faro Arm,
Metris, Konika… Mỗi hãng có phần mềm Scan 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 ( Độ an toàn
của laser được xếp từ I đến IV. Với cấp I, tia laser tương đối an toàn. Với cấp IV,
thậm chí chùm tia phân kỳ có thể làm hỏng mắt hay bỏng da … Nhưng về nguyên lí
cơ bản đều giống nhau.
- Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý máy Scan 3D
- Nguyên lý làm việc
1.Đèn phát Laser: có nhiệm vụ phát ra ánh sáng Laser có bước sóng thích hợp.
2.Thấu kính: có nhiệm vụ lọc và hội tụ tia Laser được phản xạ lại từ bề mặt của
chi tiết lên bề mặt của cảm biến CCD.
3.Cảm biến CCD (Charge Couple Device): Có nhiệm vụ thu nhận tia laser được
phản xạ từ bề mặt chi tiết trên cơ sở so sánh các góc lệch giữa chúng và đưa ra tín

Vật cần đo được đặt trực tiếp trên bàn hoặc được treo cố định hoặc cũng có thể có
vị trí bất kỳ trong không gian như các tượng đài, nhà cửa… mà không phải gá đặt
phức tạp như các loại máy đo CMM thông thường (máy đo có tiếp xúc), đây là một
lợi thế nổi trội của scan laser. Với sự hỗ trợ của phần mềm kiểm soát quét sẽ lái cảm
biến laser lướt trên bề mặt của vật cần quét, bộ phận định vị 3D nằm trên bề mặt của
bộ cảm biến sẽ ghi lại các tín hiệu phản hồi được đưa ra bởi hệ thống quét theo góc
phản xạ của chùm ánh sáng được bề mặt của chi tiết phản xạ lại và tín hiệu này
được so sánh với tham số mẫu từ đó đưa ra cho ta kết quả đo là đám mây điểm.

2.3.2 Phạm vi ứng dụng
Máy quét 3D là thiết bị di động có khả năng quét được nhiều bề mặt khác nhau.
Người sử dụng dễ dàng thay đổi thể tích đo để tăng độ phân giải của dữ liệu quét
hoặc tăng khả năng đo của hệ thống. Nhờ tính linh hoạt này, có thể quét được
những sản phẩm nhỏ như các chi tiết khuôn mẫu hay sản phẩm lớn như tổng thể
một chiếc máy bay, ô tô...
+ Các sản phẩm nhỏ
Dữ liệu scan có độ phân giải rất cao cho phép đo chính xác kể cả chi tiết rất nhỏ.
Mặt dưới của sản phẩm không phải là vấn đề lớn, bởi vì phần mềm có tính năng
ghép nối nhiều phần dữ liệu của sản phẩm để có được dữ liệu trọn vẹn của sản
phẩm.
+ Các sản phẩm lớn
Khi đo các sản phẩm lớn, máy Scan được đặt trên giá đỡ di động hoặc gắn trên tay
rô bốt để dễ dàng di chuyển trong toàn bộ không gian đo.

2.3.3. Ưu, nhược điểm của máy quét hình Scan laser
* Ưu điểm:
- Kết cấu nhỏ gọn: Máy Scan laser kết cấu nhỏ gọn hơn nhiều so với máy đo CMM
có thể có mô hình xách tay như hình trên.
- Gá đặt đơn giản: Khi Scan laser thì chi tiết cần Scan không cần phải gá đặt cầu kì
mà có thể được đặt trên bàn hoặc có một vị trí bất kì trong không gian vì khi đo

2.4.1 Các thiết bị của máy Scan 3D Vivid - 9i
Máy Scan 3D ViVid 9i là một trong các thiết bị đo không tiếp xúc, sử dụng tia công
nghệ scan laser của hãng Konica Minolta
Đặc tính kỹ thuật của máy Scan 3D ViVid 9i như sau:
Khoảng cách tới đối tượng 0.6 m – 2.5 m
Phạm vi quét: 0,6 - 1m (trong chế độ tiêu chuẩn), 0,5 - 2,5m (trong chế độ mở rộng)

13


LUẬN VĂN THẠC SỸ- NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

Độ chính xác ± 0.05 mm
Thời gian mỗi lần quét 2.5 giây
Thời gian chuyển đổi để lưu dữ liệu trên máy tính khoảng 1.5 giây
Số điểm khi quét mẫu 307000 points/2.5 giây
* Cấu hình hệ thống:

Hình 2.5 Sơ đồ cấu hình hệ thống máy Scan 3D ViVid 9i
1. Thân máy Scan 3D - Vivid 9i.
2. Các ống kính đi kèm.
3. Bộ hiệu chỉnh khoảng cách làm việc.
4. Giá 3 chân.
5. Máy tính.
6. Bàn xoay.

14