BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Lê Văn Thắm NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH LƯỠI CẮT KÉO MỔ Y TẾ ĐẦU CONG NHẰM CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA KÉO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Văn Thắm NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH LƯỠI CẮT KÉO MỔ Y TẾ ĐẦU CONG NHẰM CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA KÉO Ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Phan Bùi Khôi PGS.TS Bùi Ngọc Tuyên Hà Nội - 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tồn nội dung trình bày luận án nghiên cứu thân hướng dẫn khoa học tập thể hướng dẫn Các số liệu kết nghiên cứu luận án trung thực chưa công bố cơng trình nghiên cứu khác Hà Nội, ngày … tháng … năm 2018 Người hướng dẫn Người hướng dẫn Khoa học Khoa học PGS.TS Phan Bùi Khôi PGS.TS Bùi Ngọc Tuyên Nghiên cứu sinh Lê Văn Thắm ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án này, bên cạnh cố gắng nỗ lực thân, Tôi nhận động viên giúp đỡ lớn nhiều thày giáo tập thể nghiên cứu khoa học Trước tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành sâu sắc tới PGS.TS Phan Bùi Khôi PGS.TS Bùi Ngọc Tuyên, người Thày tận tình hướng dẫn động viên nhiều năm tháng học tập, nghiên cứu để hồn thành luận án Tơi xin cảm ơn Thày, Cô Bộ môn Gia công Vật liệu Dụng cụ cơng nghiệp, Viện khí, Viện sau đại học - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, giảng dạy, bảo, góp ý tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho Tơi hồn thành luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn GS.TSKH.NGND Bành Tiến Long, GS.TS Trần Văn Địch, PGS.TS Trịnh Minh Tứ nhiều nhà khoa học khác … có nhiều bảo, góp ý để tơi chỉnh sửa hồn thiện luận án Tơi xin cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học công nghiệp Hà Nội, Trường ĐH Công nghệ giao thông, Viện nghiên cứu tên lửa, Học viện kỹ thuật quân sự, Công ty cổ phần MEINFA, Công ty Mavitec, Công ty AIE… … tạo điều kiện giúp đỡ trình nghiên cứu, thực nghiệm để đạt kết Tôi xin cảm ơn Lãnh đạo Trường CĐN Kỹ thuật công nghệ, tập thể giáo viên Khoa khí chế tạo giúp đỡ tạo điều kiện thời gian sở vật chất để có điều kiện học tập, nghiên cứu hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Anh, Em nghiên cứu sinh, cao học, sinh viên Bộ môn Gia công Vật liệu Dụng cụ công nghiệp – Viện khí Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, nhiệt tình hỗ trợ động viên tơi suốt thời gian làm luận án Cuối chân thành cảm ơn Nhà khoa học, bạn bè đồng nghiệp gia đình, đặc biệt người vợ Nguyễn Thị Minh Thuận trai chung vai sát cánh, động viên giúp vượt qua khó khăn q trình học tập hoàn thành luận án Hà Nội, ngày … tháng … năm 2018 Tác giả luận án Lê Văn Thắm iii DANH MỤC PHỤ LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II DANH MỤC PHỤ LỤC II DANH MUC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VI DANH MỤC CÁC BẢNG VIII DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ X MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết đề tài: Mục đích đề tài Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu: Những đóng góp luận án, ý nghĩa khoa học thực tiễn Bố cục nội dung luận án Chương TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH LƯỠI CẮT KÉO MỔ Y TẾ ĐẦU CONG 1.1 Giới thiệu kéo mổ y tế đầu cong 1.1.1 Khái niệm, công dụng kéo mổ y tế đầu cong 1.1.2 Cấu tạo kéo mổ y tế đầu cong 1.1.3 Yêu cầu kỹ thuật kéo mổ y tế đầu cong 1.2 Tổng quan phương pháp tạo hình bề mặt chi tiết 10 1.2.1 Đặc trưng hình học bề mặt chi tiết 10 1.2.1.1 Biểu diễn đường cong mặt cong không gian 10 1.2.1.2 Đường cong mặt cong chi tiết 14 1.2.2 Nguyên lý tạo hình bề mặt dụng cụ cắt 17 1.2.2.1 Động học tạo hình bề mặt 17 1.2.2.2 Các phương pháp tạo hình bề mặt 19 1.2.2.3 Phương pháp xác định bề mặt khởi thủy dụng cụ 20 1.2.3 Khái quát cấu tạo dụng cụ cắt 25 1.3 Khái qt tạo hình lưỡi cắt cơng nghệ chế tạo kéo mổ y tế đầu cong 26 1.3.1 Khái quát tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong 27 1.3.2 Công nghệ chế tạo kéo mổ y tế đầu cong 30 1.4 Một số phương pháp đo lực cắt kéo 32 iv 1.4.1 Nghiên cứu nhóm NCS Mohsen Mahvash; Liming M Voo, Diana Kim, Kristin Jeung (Nhóm 1) [33] 33 1.4.2 Nghiên cứu nhóm NCS D J Callaghan1, G Rajan, M M McGrath , E Coyle, Y Semenova and G Farrell ( Nhóm 2) [21] 35 1.4.3 Một số mơ hình đo lực khác 37 Kết luận chương 38 Chương MƠ HÌNH HĨA LƯỠI CẮT KÉO MỔ Y TẾ ĐẦU CONG 39 2.1 Phương trình đường cong lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong 39 2.1.1 Hệ tọa độ khảo sát 39 2.1.2 Hình dạng đường cong lưỡi cắt kéo mặt phẳng tọa độ 40 2.1.3 Thiết lập phương trình đường cong lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong 42 2.1.4 Phương pháp giải hệ phương trình vẽ đường cong lưỡi cắt 44 2.2 Đặc trưng hình học mặt trước mặt sau lưỡi cắt 45 2.2.1 Biểu diễn mặt trước lưỡi cắt kéo 45 2.2.2 Biểu diễn mặt sau lưỡi cắt kéo 50 2.2.3 Tính toán lựa chọn TSHH thiết kế kéo mổ y tế đầu cong 53 2.3 Xác định TSHH kéo mổ y tế đầu cong kỹ thuật ngược………… 55 2.3.1 Khảo sát vẽ thiết kế kéo y tế đầu cong 56 2.3.2 Quét kéo mẫu thiết kế ngược 58 2.3.2.1 Chọn kéo mẫu 58 2.3.2.2 Ứng dụng máy Scan ATOS-I-2M, phần mềm GOM để quét đo kéo mẫu 58 2.3.2.3 Ứng dụng phần mềm thiết kế ngược Rapidform XOR để thiết kế lại kéo 60 2.4 Đề xuất mơ hình kéo mẫu thí nghiệm 66 Kết luận chương 68 Chương NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP MÀI TẠO HÌNH LƯỠI CẮT KÉO MỔ Y TẾ ĐẦU CONG 69 3.1 Các phương pháp mài thông thường 69 3.1.1 Mài mặt sau 69 3.1.2 Mài mặt trước 70 3.2 Các phương pháp mài robot 71 3.2.1 Mài robot bậc tự 71 3.2.1.1 Phương pháp tam diện trùng theo 72 3.2.1.2 Lựa chọn phương án lập trình mài kéo mổ y tế đầu cong 77 3.2.1.3 Lập trình mài Robot bậc tự 79 3.2.1.4 Kết tính tốn mơ 82 v 3.2.2 Mài robot bậc tự 86 3.2.2.1 Đặt vấn đề 86 3.2.2.2 Mơ hình hóa phương trình lưỡi cắt robot bậc tự 87 3.2.2.3 Lập phương trình động học robot bậc tự 88 3.2.2.4 Quỹ đạo chuyển động robot bậc tự 90 3.2.2.5 Kết tính tốn mơ mài robot bậc tự 91 3.2.3 Mài robot tác hợp 93 3.3 Phương pháp mài máy CNC trục 99 Kết luận chương 103 Chương THỰC NGHIỆM MÀI TẠO HÌNH LƯỠI CẮT, ĐO LỰC CẮT KÉO MỔ Y TẾ ĐẦU CONG 104 4.1 Thiết kế kéo mẫu thí nghiệm 104 4.1.1 Lựa chọn mẫu kéo mẫu thí nghiệm 104 4.1.2 TSHH kéo mẫu thí nghiệm 104 4.2 Thực nghiệm mài lưỡi cắt 105 4.2.1 Chuẩn bị thí nghiệm 105 4.2.1.1 Chuẩn bị kéo mẫu thí nghiệm 105 4.2.1.2 Tiến trình gia cơng lưỡi cắt kéo 107 4.2.1.3 Gia công mặt trụ Rc 108 4.2.1.4 Mài mặt sau (lòng mo) 110 4.2.1.5 Mài mặt trước 111 4.3 Ứng dụng kỹ thuật ngược kiểm tra kéo mẫu thí nghiệm 114 4.3.1 Quan sát mắt đo dưỡng cong 114 4.3.2 Kết quét thiết kế ngược 114 4.4 Thực nghiệm đo lực cắt 120 4.4.1 Cơ sở lý thuyết đo lực cắt kéo mổ đầu cong 120 4.4.2 Điều kiện thực nghiệm đo lực cắt 122 4.4.3 Thiết kế trang thiết bị đo lực cắt: 124 4.4.4 Thí nghiệm đo lực cắt 127 Kết luận chương 131 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO 134 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ 138 PHỤ LỤC vi DANH MUC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị [Oxyz] Giải thích Là hệ trục tọa độ tuyệt đối, có gốc tọa độ điểm giao đường tâm chốt kéo với mặt phẳng mang kéo [Oxy] Mặt phẳng sở (còn gọi mặt phẳng mang kéo): mặt phẳng tọa độ nằm mặt phẳng mang kéo, có trục Oy nằm mặt phẳng đối xứng tương đối theo chiều dọc kéo [Oxz] Là mặt phẳng tọa độ nằm vng góc với mặt phẳng mang kéo, chứa tâm kéo vng góc với trục Oy [Oyz] Là mặt phẳng tọa độ nằm vng góc với mặt phẳng mang kéo, chứa đường tâm chốt kéo trùng với mặt phẳng đối xứng tương đối kéo theo chiều dọc Rx mm Bán kính bề mặt ngồi xuyến Rs mm Bán kính lịng mo (với lịng mo phần bề mặt cong phía bên lưỡi kéo) VR Vế phải: Là vế có lưỡi cắt tay nằm bên phải ta đặt kéo nằm ngang chiều cong hướng lên VL Vế trái: Là vế có lưỡi cắt tay nằm bên trái ta đặt kéo nằm ngang chiều cong hướng lên CR Đường lưỡi cắt vế phải CL Đường lưỡi cắt vế trái γ ° Góc trước lưỡi kéo: góc hợp vết mặt trước với vết mặt phẳng đáy đo tiết diện γk ° Góc trước lưỡi kéo: góc hợp vết mặt trước với vết mặt phẳng đáy đo tiết diện điểm k lưỡi cắt α ° Góc sau lưỡi kéo: góc hợp vết mặt sau vết mặt cắt đo tiết diện Kéo Là kéo mổ y tế đầu cong (trong luận án từ “kéo” hiểu kéo mổ y tế đầu cong, loại kéo khác gọi tên cụ thể hơn) Lưỡi kéo NCS Là cách gọi ngắn gọn lưỡi cắt kéo mổ đầu cong Nghiên cứu sinh vii TSHH Thơng số hình học OdXdYdZd Là hệ trục tọa độ kéo không gian, với O giao tuyến trục lỗ chốt kéo với mặt phẳng mang kéo rc mm Bán kính tâm mặt trụ xc mm Tọa độ tâm mặt trụ theo phương x hệ tọa độ OdXdYdZd yc mm Tọa độ tâm mặt trụ theo phương y hệ tọa độ OdXdYdZd zc mm Tọa độ tâm mặt trụ theo phương z hệ tọa độ OdXdYdZd re mm Là bán kính vịng tâm mặt xuyến rs mm Là bán kính vịng trịn tiết diện mặt phẳng hướng tâm vòng xuyến xe mm Tọa độ tâm mặt xuyến theo phương x hệ tọa độ OdXdYd Zd ye mm Tọa độ tâm mặt xuyến theo phương y hệ tọa độ OdXdYd Zd ze mm Tọa độ tâm mặt xuyến theo phương z hệ tọa độ OdXdYd Zd ϕ ° Là góc đường thẳng nối tâm mặt xuyến với tâm vịng xuyến vị trí khảo sát θ ° Là góc đường thẳng nối tâm mặt xuyến với tâm vòng xuyến đường thẳng nối tâm vòng xuyến với điểm đường cong lưỡi cắt kéo OkXkYkZk Là tam diện lưỡi kéo Ok Xk YkZk hệ tọa độ điểm khảo sát thứ k, với k chạy dọc theo lưỡi kéo xác định theo phương pháp tam diện trùng theo OEXEYEZE d Apk 0 Là ma trận biến đổi tọa độ điểm k dọc theo lưỡi kéo AE(q) Ma trận biến đổi tọa độ 0AE(q) khâu thao tác A1(q1), Ma trận truyền biến đổi tọa độ chuỗi động học A2 (q2), , Là tam diện đá mài A6 (q6) robot viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Thông số quét kéo 3- kéo MetZenbaum 160, đầu cong 62 Bảng 2 Thông số mặt cắt kéo 3- kéo MetZenbaum 63 Bảng Tọa độ điều khiển điểm P- vế trái kéo 79 Bảng Tham số động học DH 80 Bảng 3 Bảng tham số động học DH 83 Bảng Tham số định vị hệ tọa độ kéo 83 Bảng Tọa độ tâm bán kính mặt trụ 83 Bảng Tọa độ tâm, bán kính vịng xuyến bán kính vòng tròn tiết diện mặt xuyến 83 Bảng Vị trí hướng tam diện lưỡi cắt đá 84 Bảng giá trị tọa độ khớp robot 85 Bảng Tham số động học DH (5 trục) 89 Bảng 10 Bảng giá trị tham số động học DH (5 trục) 91 Bảng 11 Tham số định vị hệ tọa độ kéo 91 Bảng 12 Tọa độ tâm bán kính mặt trụ 92 Bảng 13 Tọa độ tâm, bán kính vịng xuyến bán kính vịng trịn tiết diện mặt xuyến 92 Bảng 14 Tham số động học Robot dụng cụ 94 Bảng 15 Tham số động học Robot đồ gá 94 Bảng 16 Bảng tham số động học DH 97 Bảng 17 Tham số định vị hệ tọa độ kéo hệ tọa độ khâu cuối robot đồ gá x22y22 z22 97 Bảng 18 Tham số định vị hệ tọa độ kéo hệ tọa độ khâu cuối robot đồ gá x22y22 z22 98 Bảng 19 Tọa độ tâm bán kính mặt trụ 98 Bảng 20 Tọa độ tâm, bán kính vịng xuyến bán kính vịng trịn tiết diện mặt xuyến 98 Bảng 21 Tham số động học cụm trục mang dụng cụ 100 Bảng 22 Bảng tham số động học cụm bàn máy 100 Bảng TSHH lưỡi cắt vế trái kéo thí nghiệm 104 Bảng TSHH lưỡi cắt vế phải kéo thí nghiệm 104 Bảng Thơng số máy 108 Bảng 4 Thơng số Robot OTC AII-V6 111 Bảng Tọa độ vị trí đường cong lưỡi cắt kéo mẫu thí nghiệm vế trái 25.160.125 113 Bảng Kết mài góc trước vế trái kéo mẫu thí nghiệm 25.160.125, 116 28 Phụ luc Chương trình mài đường cong R CR lưỡi cắt phải máy CNC O0002 (Phay/ mài đường cong RCR lưỡi kéo phải 25.160,165); G00 G17 G40 G49 G80 G90; G91 G28 Z0; T03 M6; G90 G56 X12; G90 G43 H03 Z3; S2000 M3; G00 Z10; M8; G01 Z-12 F250; D03; G41 G01 X-12 Y-4.85 F60; G02 X-50 Y0 I38.55 J 548.65; G03 X-65 Y5 R5; G40 G00 Z10; M9; M5; G91 G28 Z0; G91 G28 Y0; M30; % 29 Phụ luc Chương trình mài mặt sau lưỡi cắt trái máy CNC O0023 (Mài thô bán tinh mặt sau lưỡi kéo 25.160,125); G17 G40 G00 G49 G80 G90; G91 G28 Z0 ; T03 M6; G90 G54 G0 X0 Y0 ; G0 X60 Y0 ; G90 G0 G43 H03 Z50 ; S1500 M3; G00 Z50 F250 ; G01 Z12, F300 ; M08; G18; G42 D03 g01 X-0,094559192 Y0 G03 X9.4869 Z 50 Y0 I125, K 38 F60; G40 G00 X78 Z60 ; M05; M09; G91 G28 Z0; G91 G28 X0; M30; % 30 Phụ luc 10 Chương trình mài mặt sau lưỡi cắt phải máy CNC O0029 (Mài thô bán tinh mặt sau lưỡi kéo phải 25.160,165); G17 G40 G00 G49 G80 G90; G91 G28 Z0 ; T03 M6; G90 G54 X0 Y0 ; G0 X80 Y0 ; G90 G0 G43 H03 Z100 ; S1500 M03; G00 Z50 F250 ; G01 Z12, F300 ; M08; G18; G42 D03 G01 X-0,094559192 Z12, F100 ; G03 X9.4869 Z 50 Y0 I165 K F65; G40 G00 X-10 Z70 ; Z100.; M05; M09; G91 G28 Z0; G91 G28 X0; M30; % 31 Phụ lục 11 Thông số động học robot Mô tả Đặc điểm kỹ thuật Mẫu Robot AII-V6 Cấu trúc robot Khớp nối thẳng đứng Số trục bậc tự Tải trọng cho phép kg Khả tinh chỉnh ± 0,08 mm Tầm với 1,4 m Hệ thống dẫn động AC Servo Motor Công suất dẫn động 2600 W Hồi tiếp vị trí Encoder tuyệt đối Tầm làm việc J1 (Quay vòng) J2 (Hạ cánh tay) J3 (Nâng cánh tay) J4 (Lắc) J5 (Uốn) J6 (Xoắn) Cánh tay Khớp tay ± 170 ° ( ±50 °) - 155 ° ~ + 90 ° - 170 ° ~ + 190 ° ± 180 ° - 50 ° ~ + 230 ° ± 360 ° 210 ° 190 ° / s Cánh tay J2 (Hạ cánh tay) 210 ° / s J3 (Nâng cánh tay) 210 ° / s J4 (Lắc) 420 ° / s Khớp tay J5 (Uốn) 420 ° / s J6 (Xoắn) 600 ° / s J4 (Lắc) 11,8 Nm Moment Cho phép J5 (Uốn) 9,8 Nm J6 (Xoắn) 5,9 Nm J4 (Lắc) 0,30 kg m² Moment quán tính J5 (Uốn) 0,25 kg m² cho phép J1 (Quay vòng) Tốc độ tối đa Tải trọng Mặt cắt ngang vùng làm việc Nhiệt độ, độ ẩm làm việc ắ / s 3.14m2x340 o ~ 45 ° C 20 ~ 80% RH 32 Phụ lục 12: Bản xác nhận kết quét kéo mẫu thí nghiệm 33 34 Phụ lục 13 Kết thí nghiệm đo lực cắt E: Atham/Cat- Keo- A Tham 24.10,2017 Kéo mẫu thí nghiệm 25.160,165 – cắt khơng Kéo mẫu thí nghiệm 25.160,165 – cắt lần 35 Kéo mẫu thí nghiệm 25.160,165 – cắt lần Kéo mẫu thí nghiệm 25.160,165 – cắt lần 36 Kéo MetZenbaum – cắt không Kéo MetZenbaum – cắt lần 37 Kéo MetZenbaum – cắt lần Kéo MetZenbaum – cắt lần 38 Kéo Pakistan – số lần 10 Kéo Pakistan – số lần 39 11 Kéo Pakistan số lần 12 Kéo Pakistan số lần 40 Phụ lục 14: Một số hình ảnh thí nghiệm mai đo lực cắt (luận án tiến sĩ) Hình ảnh mài lưỡi cắt TN mài lưỡi kéo máy TTGC CNC Tập thể GVHD NCS chạy kiểm tra chương trình mài mặt trước robot trục 41 Đo lực cắt quét kéo, TN Đo lực cắt 42 ... hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong Chương Mơ hình hóa lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong Chương Nghiên cứu phương pháp mài tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong Chương Thực nghiệm tạo hình lưỡi cắt, ... dụng để tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong; - Phương pháp gia công tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong m? ?y công nghệ cao robot, m? ?y CNC 3 - Biện pháp thay đổi TSHH lưỡi cắt nhằm cải thiện. .. pháp tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong nhằm cải thiện chất lượng làm việc kéo? ?? Mục đích đề tài Nhằm cải thiện tính cắt sắc, hướng tới cải thiện chất lượng làm việc kéo, mục đích nghiên cứu