Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu công nghệ thiết kế ngược và ứng dụng vào quá trình tạo mẫu nhanh

CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ NGƯỢC (REVERSE ENGINEERING) VÀ ỨNG DỤNG THIẾT KẾ LẠI MỘT SỐ CHI TIẾT TRONG LĨNH VỰC CƠ KHÍ

VÀ ỨNG DỤNG THIẾT KẾ LẠI MỘT SỐ CHI TIẾT TRONG LĨNH

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ NGƯỢC

Giới thiệu về công nghệ thiết kế ngược

Trong lĩnh vực sản xuất, chu trình sản xuất truyền thống bắt đầu từ ý tưởng thiết kế sản phẩm, phác thảo, tính toán, chế thử, kiểm tra và hoàn thiện trước khi đưa vào sản xuất Phương pháp này, được gọi là công nghệ sản xuất thuận (Forward Engineering), đã tồn tại qua nhiều thế kỷ Tuy nhiên, trong vài thập kỷ qua, sự phát triển công nghệ đã dẫn đến sự xuất hiện của một quy trình mới, ngược lại với sản xuất truyền thống, đó là công nghệ thiết kế ngược (Reverse Engineering), hay còn gọi là công nghệ chép mẫu, cho phép chế tạo sản phẩm dựa trên những sản phẩm có sẵn.

Công nghệ này được phát triển để đáp ứng nhu cầu sản xuất thực tế, đặc biệt khi cần chế tạo sản phẩm theo mẫu có sẵn mà không có mô hình CAD tương ứng Điều này thường xảy ra với các chi tiết không rõ xuất xứ, phù điêu, hoặc bộ phận cơ thể con người và động vật Ngoài ra, công nghệ cũng giúp sao chép các sản phẩm đã thành công trên thị trường để giảm chi phí chế tạo mẫu hoặc cải tiến sản phẩm Trước đây, quá trình tạo mẫu thường yêu cầu đo đạc và phác thảo thủ công, sử dụng sáp hoặc thạch cao, dẫn đến độ chính xác thấp và tốn nhiều thời gian, đặc biệt với các chi tiết phức tạp Hiện nay, máy quét hình được sử dụng để số hóa hình dáng chi tiết, và phần mềm CAD/CAM chuyên dụng sẽ xử lý dữ liệu số hóa, từ đó tạo ra mô hình chính xác hơn.

Trần Ngọc Tú, sinh viên lớp Tự Động Hóa Thiết Kế Cơ Khí K46, đã tạo ra 10 hình CAD 3D cho chi tiết với độ chính xác cao Những mô hình CAD này có khả năng chỉnh sửa theo nhu cầu sử dụng.

Công nghệ thiết kế ngược là quá trình phân tích để thu thập thông tin về sản phẩm hiện có, bao gồm chức năng các bộ phận, đặc điểm hình học, vật liệu và tính công nghệ Sau đó, thông tin này được sử dụng để khôi phục mô hình CAD hoặc phát triển sản phẩm mới thông qua các công nghệ như CAD, RP và CNC Công nghệ này đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như hóa học, điện tử, xây dựng, cơ khí, y học và nghệ thuật Trong lĩnh vực xây dựng, việc học hỏi kỹ thuật thiết kế và thi công từ các công trình hoàn thiện là rất quan trọng.

( Succeessful building/brige ) của thế giới để giảm thiểu những sai sót Giảm thời gian thiết kế và tăng thêm những ưu việt cho những công trình của mình

Trong ngành cơ khí chế tạo, công nghệ thiết kế ngược được hiểu là quá trình tái tạo sản phẩm từ các mẫu có sẵn mà không cần bản vẽ thiết kế, hoặc khi bản vẽ đã bị mất hoặc không rõ ràng Sản phẩm mới được hình thành dựa trên việc phục hồi nguyên trạng hoặc phát triển từ sản phẩm ban đầu.

Công nghệ thiết kế ngược (Reverse Engineering), ra đời vào những năm 90, đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực phát triển sản phẩm, đặc biệt là trong thiết kế mô hình 3D với sự hỗ trợ của máy tính Kỹ thuật này ngày càng phát triển nhờ vào sự tiến bộ của phần mềm CAD/CAM và luôn được cải tiến để đáp ứng nhu cầu sản xuất đa dạng Reverse Engineering đã trở thành một phần quan trọng trong quy trình sản xuất hiện đại, với nhiều công ty trên thế giới, đặc biệt là ở Trung Quốc, áp dụng thành công công nghệ này để sản xuất các sản phẩm như xe máy, ô tô và đồ gia dụng dựa trên mẫu mã của các thương hiệu nổi tiếng như Honda, Mitsubishi và Toyota.

Trần Ngọc Tú Lớp:Tự Động Hóa Thiết Kế Cơ Khí – K46 11

Sản phẩm thực Sản phẩm được sơn trắng để quét mẫu

Quét mẫu bằng máy ATOS Mô hình sản phẩm sau khi quét

Mô hình hóa các bề mặt Mô hình CAD xây dựng lại

Trong những năm gần đây, công nghệ thiết kế ngược đã bắt đầu được áp dụng vào sản xuất tại Việt Nam, nhưng vẫn chưa đạt được tính chuyên nghiệp cao Nhiều công ty sản xuất khuôn cho các sản phẩm nhựa và cơ khí thường thực hiện việc số hóa mô hình một cách thủ công, chủ yếu bằng phương pháp đo vẽ tay Việc ứng dụng thiết bị số hóa công nghệ cao và phần mềm thiết kế ngược vẫn còn hạn chế, chỉ có một số ít công ty thực hiện điều này.

Trần Ngọc Tú, sinh viên lớp Tự Động Hóa Thiết Kế Cơ Khí K46, có thể thực hiện các hợp đồng với công ty Hoàng Quốc, Trung tâm dịch vụ công nghệ 3D (3D Tech) và các trường đại học như Đại Học GTVT, Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, và Đại Học Bách Khoa Hà Nội Những cơ sở này sở hữu máy quét 3D, nhưng chủ yếu phục vụ cho mục đích học tập và nghiên cứu.

1.1.2 Ưu nhược điểm của công nghệ thiết kế ngược

Kiểm tra chất lượng sản phẩm thông qua việc so sánh mô hình CAD với sản phẩm thực tế giúp điều chỉnh mô hình hoặc các thông số công nghệ, từ đó đảm bảo sản phẩm đạt yêu cầu chất lượng.

Mô hình CAD đóng vai trò là mô hình trung gian trong thiết kế, cho phép tạo sản phẩm bằng tay từ các vật liệu như đất sét, thạch cao, hay sáp Sau đó, hình ảnh được quét để tạo ra mô hình CAD, từ đó người thiết kế có thể thực hiện các 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

+ Cần có công nghệ hiện đại là các loại máy quét hình

Qui trình công nghệ thiết kế ngược

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện đại, quy trình sản xuất sản phẩm ngày càng trở nên chuyên môn hóa, được chia thành nhiều công đoạn riêng biệt nhưng liên kết chặt chẽ theo một tiêu chuẩn chung Mặc dù có nhiều cải tiến mới, quy trình sản xuất hiện tại chủ yếu được thể hiện qua hai sơ đồ.

Quy trình thiết kế thuận bắt đầu từ ý tưởng thiết kế, nơi người thiết kế hoặc khách hàng mô tả sản phẩm Sau đó, bản vẽ sơ bộ sản phẩm được phác thảo bằng CAD và tiếp tục được tính toán, phân tích, kiểm tra các thông số kỹ thuật và tính công nghệ thông qua việc chuyển dữ liệu từ CAD sang CAE Mô hình sẽ được tối ưu hóa để tạo ra bản vẽ thiết kế hoàn chỉnh Tiếp theo, các bước chuẩn bị công nghệ (CAPP), lập trình gia công (CAM), mô phỏng và chế tạo thử mẫu sản phẩm được thực hiện bằng phương pháp tạo mẫu nhanh (RP) hoặc trên máy CNC Cuối cùng, mẫu sản phẩm chế thử sẽ được kiểm tra thực tế để đảm bảo đáp ứng các yêu cầu đã đặt ra.

Trần Ngọc Tú, sinh viên lớp Tự Động Hóa Thiết Kế Cơ Khí K46 14, nhấn mạnh rằng quy trình thiết kế sản phẩm bắt đầu từ bản vẽ phác thảo Nếu sản phẩm không đạt yêu cầu, sẽ tiến hành chỉnh sửa cho đến khi mẫu sản phẩm hoàn thiện và đáp ứng tiêu chuẩn trước khi đưa vào sản xuất thực tế.

Bản vẽ phác thảo Số hóa sản phẩm

Tính toán, phân tích ( CAD /CAM) Sử lý dữ liệu số hóa

Tối ưu thiết kế, bản vẽ thiết kế CAD/CAM/CAE/CAPP (CAE/CAD)

Chuẩn bị gia công ( CAM / CAPP) Chế thử, mô phỏng ( CNC / CAM )

Kiểm tra thực No No Kiểm tra thực tiễn tiễn

Sản xuất đại trà Sản xuất đại trà

Quy trình thiết kế thuận Quy trình thiết kế ngược

Hình 1.2 : Quy trình thiết kế thuận và Quy trình thiết kế ngược

Trong quy trình thiết kế ngược, chúng ta bắt đầu từ một mẫu sản phẩm thực tế (phần vật lý) và số hóa mẫu này bằng các thiết bị và phần mềm chuyên dụng Quá trình này giúp tạo ra mô hình CAD cụ thể cho sản phẩm, từ đó tiến hành các công đoạn tiếp theo trong thiết kế.

Trần Ngọc Tú, sinh viên lớp Tự Động Hóa Thiết Kế Cơ Khí K46 15, đã trải qua chu trình sản xuất thuận, bao gồm các bước tính toán, phân tích và tối ưu hóa trên phần mềm CAE/CAM Quy trình này còn bao gồm chuẩn bị công nghệ (CAPP) cho gia công tạo mẫu nhanh và lập trình gia công trên máy CNC hoặc các máy công cụ khác Cuối cùng, sản phẩm sẽ được kiểm tra thực tế trước khi đưa vào sản xuất đại trà.

Qui trình mô hình hóa mẫu sản phẩm đã có sẵn theo công nghệ thiết kế ngược

Quá trình mô hình hóa sản phẩm có sẵn và tạo ra các mô hình CAD cụ thể là bước quan trọng trong công nghệ thiết kế ngược Qui trình này được chia thành nhiều giai đoạn khác nhau.

3.1.1 Giai đoạn số hóa sản phẩm Để số hóa sản phẩm ta dùng các máy quét hình để quét hình dạng vật thể Dựa theo cách thức quét hình người ta phân ra 2 dạng thiết bị quét hình chủ yếu là các máy quét dạng tiếp xúc (như máy đo tọa độ Coordinate Measuring Machine – CMM ) và các máy quét không tiếp xúc (máy quét lazer) Các máy CMM sử dụng các đầu đo để tiếp xúc với bề mặt cần đo Một số vị trí tiếp xúc sẽ cho một điểm có tọa độ (x, y, z) Tập hợp các điểm này sẽ tạo thành các lưới điểm vẽ trên hình dáng vật thể Còn các máy quét lazer thì sử dụng chùm tia lazer phát ra từ máy chiếu vào vật thể Các tia này sẽ phản xạ trở lại cảm biến thu Máy tập hợp các tia phản xạ này để dựng lên ảnh của vật thể 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 thể Phương pháp này có độ chính xác kém hơn phương pháp tiếp xúc song nhanh hơn và đầy đủ hơn Dữ liệu thu được không phải là lưới điểm mà là tập hợp vô vàn các khối ảnh điểm (đám mây điểm) Đám mây điểm này sẽ chuyển sang lưới tam giác dùng để xây dựng các bề mặt

3.1.2 Giai đoạn sử lý số liệu dữ hóa

Giai đoạn này bao gồm 4 bước :

- Bước 1 : Chỉnh sửa lưới dữ liệu, đám mây điểm

Bước 2: Đơn giản hóa lưới tam giác bằng cách giảm số lượng tam giác, tối ưu hóa vị trí đỉnh và cải thiện cách kết nối các cạnh của mỗi tam giác, đảm bảo rằng các đặc điểm hình học vẫn được giữ nguyên.

- Bước 3 : Chia nhỏ lưới và cắt bỏ phần thừa (đã đơn giản hóa) để tạo bề mặt trơn theo ý muốn

Các hình sau dây mô tả công nghệ quét đầu người: a Quét hình b Dữ liệu sau quét c Tối ưu hóa d Dựng các bề mặt

Hình 1.3: Mô hình hóa chi tiết mặt người

3.1.3 Thiết kế lại trên cơ sở dữ liệu số hóa

Dựa trên dữ liệu số hóa đã được xử lý, chúng tôi tái tạo mô hình CAD cho sản phẩm dưới dạng Soid hoặc Surface bằng phần mềm thiết kế ngược chuyên dụng Kết quả cuối cùng là một bề mặt mịn màng, được xuất ra file CAD với các định dạng như IGES, DXF và STL.

3.1.4 Tạo mẫu, gia công chi tiết

Từ dữ liệu mô hình CAD, có thể áp dụng công nghệ tạo mẫu nhanh

( Rapid Prototyping ) đế tạo ra mẫu cho sản phẩm Cũng có thể tạo mẫu trên máy

CNC yêu cầu lập trình NC thông qua các phần mềm CAD/CAM chuyên nghiệp như Cimatron, Pro/Engineer và GibCAM để tạo ra đường chạy dao Hình ảnh dưới đây minh họa quy trình gia công mặt người trên máy phay CNC.

Hình 1.4 : Phay mặt người trên máy CNC

Phương pháp và thiết bị số hóa trong công nghệ thiết kế ngược

Sự khác biệt chính giữa công nghệ thiết kế thuận và thiết kế ngược nằm ở công đoạn số hóa sản phẩm, tức là chuyển đổi dữ liệu hình học của sản phẩm từ dạng thô (Raw Geometric Data) Thiết kế thuận bắt đầu từ ý tưởng và phác thảo, trong khi thiết kế ngược lấy dữ liệu từ sản phẩm có sẵn Trước đây, việc tạo mô hình CAD cho sản phẩm hiện có yêu cầu đo đạc thủ công và vẽ lại kết quả, tốn nhiều thời gian và công sức Tuy nhiên, hiện nay, nhờ vào sự hỗ trợ của máy tính, quá trình CAD hóa trở nên nhanh chóng và chính xác hơn Việc số hóa bề mặt 3D của sản phẩm được thực hiện qua hai phương pháp chính: đo tiếp xúc (phương pháp cơ học) và đo không tiếp xúc (phương pháp quang học).

4.1.1 Phương pháp đo tiếp xúc a.Khái niệm Đây là phương pháp thường dùng 1 đầu đo cơ khí trượt trên bề mặt chi tiết theo lưới định trước và liên tục ghi lại tọa độ nhận được

Công cụ chủ yếu của phương pháp này chính là các máy đo tọa độ 3 chiều

(Coordinate Mesuring Machine – CMM) là tên gọi chung của các thiết bị vạn năng có thể thực hiện việc đo các thông số hình theo phương pháp tọa độ

Có hai loại máy đo tọa độ phổ biến: máy đo bằng tay, trong đó đầu đo được điều khiển bằng tay, và máy đo CNC, với đầu đo được điều khiển tự động thông qua chương trình số Mỗi phương pháp đo tiếp xúc này đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến độ chính xác và hiệu quả trong quá trình đo lường.

Máy đo được thiết kế theo nguyên tắc đo từng điểm trên đối tượng, đảm bảo độ chính xác cao Hoạt động của máy dựa trên nguyên tắc hành trình, cho phép đạt độ chính xác đến phần vạn, với sai số chỉ từ 0.1 µm đến 0.5 µm.

- Tính tự động hóa cao: Có thể đo tự động trong cả quá trình đo

- Kết quả đo là các file có nhiều định định dạng tiêu chuẩn như IGS, Step, Stl … thích hợp với các phần mềm thiết kế 3

- Dễ xử lý kết quả đo: Kết quả đo là tập hợp các đường curve thuận lợi tạo các mặt trên các phần mềm thiết kế 3D

- Đầu đo đa dạng phù hợp với các đối tượng đo

- Hạn chế đo các rãnh hẹp, cạnh sắc, có kích thước nhỏ hơn bán kính đầu đo

- Tốc độ đo không cao: Chỉ từ 10 đến 1000 điểm /phút chậm hơn nhiều so với công nghệ scan laser

Máy đo tọa đọ CMM Đầu đo CNC Đầu đo bằng tay

Để khắc phục hạn chế của phương pháp đo tiếp xúc, đã có sự phát triển các máy đo không tiếp xúc sử dụng công nghệ Lazer, tia X, siêu âm và ảnh video.

4.1.2 Phương pháp đo không tiếp xúc a Khái niệm

Phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng tia laser hoặc các tia quang học khác để đo hoặc chụp ảnh bề mặt vật thể Sau khi quét, dữ liệu thu được sẽ được xử lý và hoàn thiện bằng các phần mềm xử lý ảnh chuyên nghiệp.

Thiết bị số hóa mà tôi nghiên cứu là máy quét ánh sáng trắng, bên cạnh máy quét laser Máy quét này có khả năng đo các vật thể từ khoảng cách gần đến xa, lên đến 35m đối với máy quét laser.

Hình 1.6 : Mô hình máy quét ánh sáng trắng b Ưu nhược điểm của phương pháp

- Thời gian lấy mẫu nhanh, có thể lấy mẫu vật thể có kích thước lớn

Phương pháp này cho phép lấy mẫu từ các vật thể làm bằng vật liệu mềm như chất dẻo, xốp, và sáp mà không gây biến dạng hay hư hỏng cho mẫu cần đo.

- Độ chính xác không cao bằng phương pháp đo tiếp xúc

Mỗi phương pháp đều sở hữu những ưu điểm và nhược điểm riêng, do đó chúng sẽ được áp dụng tùy thuộc vào từng tình huống cụ thể Ngoài ra, việc kết hợp cả hai phương pháp cũng có thể mang lại hiệu quả tối ưu.

Trần Ngọc Tú, sinh viên lớp Tự Động Hóa Thiết Kế Cơ Khí K46, đạt thành tích cao nhất với 20 quả Quá trình số hóa sản phẩm được thực hiện bằng máy quét không tiếp xúc, sau đó tiến hành kiểm tra sai số bằng máy đo tọa độ tiếp xúc.

Các ứng dụng của công nghệ thiết kế ngược

Mô hình hóa chi tiết phức tạp nhanh chóng và chính xác, đáp ứng tối đa nhu cầu đa dạng của thị trường trong nhiều lĩnh vực, là ưu điểm nổi bật của công nghệ này.

* Trong lĩnh vực nghệ thuật

Trong lĩnh vực thiết kế, công nghệ thiết kế ngược cho phép sao chép và phân tích các đặc điểm của các kiệt tác hội họa và điêu khắc Các sản phẩm yêu cầu tính thẩm mỹ cao thường được mô hình hóa bởi các nhà kỹ thuật trên nhiều chất liệu như đất sét, nhựa và gỗ Tuy nhiên, những tác phẩm nghệ thuật chỉ là sản phẩm của một số ít nghệ sĩ, trong khi nhu cầu thị trường lại rất lớn Để đáp ứng nhu cầu này, cần có mô hình CAD cho các sản phẩm mong muốn, và công nghệ thiết kế ngược chính là giải pháp Với sự hỗ trợ của thiết bị hiện đại và máy tính, chúng ta có thể tạo ra các dữ liệu CAD chính xác, gần giống như mô hình thật với dung sai rất nhỏ.

Hình 1.7 : Công nghệ RE dựng mô hình CAD cho các tác phẩm nghệ thuật

Hình 1.8 : Ứng dụng công nghệ tái tạo lấy mẫu hoa văn thủ công

Công nghệ RE đóng vai trò quan trọng trong việc cải tiến mẫu mã sản phẩm, giúp rút ngắn thời gian từ thiết kế đến sản xuất Việc kế thừa các mẫu sản phẩm đã được tối ưu cho phép chúng ta thiết kế lại phù hợp với yêu cầu mới, giảm thời gian thiết kế và đưa sản phẩm ra thị trường nhanh chóng Trong bối cảnh thị trường thay đổi liên tục, công ty nào nhanh chóng giới thiệu mẫu mã mới sẽ chiếm ưu thế về thị phần và lợi nhuận, trong khi những công ty chậm trễ sẽ mất cơ hội kinh doanh.

Do vậy công nghệ thiết kế ngược RE thực sự sẽ là trọng tâm của công nghệ thiết kế sản phẩm của tương lai

Mô hình quét mẫu sản phẩm Mô hình CAD đưa ra

Hình 1.9 : Ứng dụng RE thiết kế lại sản phẩm cơ khí phức tạp

Công nghệ RE được áp dụng để thay thế các chi tiết hoặc bộ phận mà nhà sản xuất không còn cung cấp, cho phép chúng ta chế tạo lại mà không cần bản vẽ thiết kế Ngoài ra, nó cũng hữu ích khi muốn sản xuất mẫu mã mới tối ưu trên thị trường, đặc biệt khi nhà thiết kế không cung cấp tài liệu hoặc làm mất, hỏng chúng Công nghệ này đặc biệt quan trọng đối với những sản phẩm có hình dạng phức tạp, khó mô tả như hình người hay hình con vật.

Hình 1.10 : Ứng dụng công nghệ thiết kế ngược lấy mẫu mặt người và động vật

Công nghệ RE trong khảo cổ học giúp khôi phục hình dạng sinh vật thời tiền sử từ hóa thạch mà không làm hư hại mẫu vật Ngoài ra, RE còn cho phép tái tạo các mẫu tượng cổ và phục hồi công trình kiến trúc, nghệ thuật cổ đã bị tàn phá qua các thời kỳ lịch sử.

Hình 1.11 : Ứng dụng RE trong khảo cổ học

Công nghệ thiết kế ngược trong y học giúp tạo ra các bộ phận cơ thể tùy chỉnh cho từng bệnh nhân, phục vụ cho việc thay thế các khuyết tật hoặc bộ phận hỏng do tai nạn hoặc bẩm sinh, bao gồm xương, khớp, răng hàm và mảnh sọ não.

Mô hình CAD Chương trình gia công Khuôn bằng nhôm

Hình 1.12 : Ứng dụng RE tạo mảnh sọ não dùng trong y học

* 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 1.13 : Sử dụng RE thiết kế nhân vật và môi trường trong Game

Công nghệ RE đang được áp dụng phổ biến trong ngành giải trí và mô phỏng, bao gồm việc thiết kế nhân vật trong game 3D, tạo ra các môi trường giao diện ảo phục vụ cho giải trí, làm phim và mô phỏng các quá trình cho nhiều mục đích khác nhau.

Công nghệ RE được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong thiết kế mô hình CAD Xu hướng sản xuất hiện đại đang ngày càng hướng tới tiêu chí JIT (Just-In-Time), cho thấy sự cần thiết của công nghệ này trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Thời gian là yếu tố quan trọng trong quá trình chế tạo sản phẩm, với khả năng rút ngắn thời gian từ khi đặt hàng đến khi nhận sản phẩm thực tế chỉ còn tính bằng ngày, giờ thay vì tuần, tháng hay quý như trước Nhờ vào ưu điểm vượt trội về thời gian và độ chính xác, công nghệ thiết kế ngược hứa hẹn sẽ trở thành công nghệ chủ đạo trong ngành sản xuất.

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ NGƯỢC THIẾT KẾ LẠI VỎ MÁY KHOAN PHÁ

Lựa chọn chi tiết và thiết bị

Em đã thực hiện thiết kế lại vỏ máy khoan phá bằng công nghệ thiết kế ngược, với chức năng che chắn và bảo vệ sản phẩm khỏi các tác động bên ngoài Để số hóa sản phẩm, em sử dụng máy quét ánh sáng trắng ATOS I tại Trung Tâm Dịch Vụ Công Nghệ 3D Sau đó, em áp dụng phần mềm Rapid Form XO Redesign (XOR) để hoàn thiện mô hình CAD cho sản phẩm.

Hình 2.1: Mô hình chi tiết thiết kế lại

Số hóa sản phẩm bằng máy quét 3D ATOS I

2.2.1 Thiết bị số hóa ATOS I

Hình 2.2: Máy quét ánh sáng trắng ATOS I

Thiết bị quét 3D ATOS I tại Trung Tâm Dịch Vụ Công Nghệ 3D là sản phẩm của hãng GOM (Đức) Hệ thống máy ATOS I bao gồm máy quét, máy tính, bàn xoay, ống kính ngắm, cáp tín hiệu và bộ điều khiển bàn xoay, mang lại giải pháp quét 3D chính xác và hiệu quả.

ATOS I có thể đặt cố định, gắng trên giá di động hoặc lắp trên robot cho các ứng dụng kiểm tra tư động Khi scan sản phẩm nhỏ, có thể thay đổi Môđun tiêu chuần bằng Môđun SO chỉ trong vài phút

Thông số kỹ thuật chính của máy ATOS I

Số điểm đo trong một lần scan

Khoảng cách từ máy tới sản phẩm

Thể tích đo nhỏ nhất

Thể tích đo lớn nhất

Khoảng cách giữa các điểm đo

4 kg Nhiệt độ làm việc

Kích thước vali chứa máy khi di chuyển

Tổng trọng lượng khi di chuyển

110 hoặc 220V AC Laptop hoặc Midi Tower PC

Thiết kế gọn và có khả năng scan rất nhanh nên ATOS I là một hệ thống di động ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau :

Khuôn mẫu Đồ gia dụng

Các mẫu vật hội họa, kiến trúc

Các mô hình theo mẫu

Thiết kế ngược theo mẫu sản phẩm Thiết kế mô hình tính toán phần tử hữu hạn theo mẫu

Scan các sản phẩm trong đồ họa máy tin, y học, giáo dục

Tạo mô hình số cho các mẫu vật

2.2.2 Sử dụng phần mềm ATOS -V6.2.0.3 Đây là phần mềm kèm theo máy có chức năng điều khiển máy quét ,chuyển đổi dữ liệu sang các định dạng khác DXF, Ware font, STL, MGF,

ASCII format enables reading data in CAM, CAD, VDD, SCN, and STL formats It allows for the editing of scanned data, exporting STL image files, and providing standard inputs for data processing software Additionally, it supports displaying data in Wireframe, Texture, and Shading formats, while establishing a standard coordinate system and an ideal design coordinate system, as well as visualizing the assembly errors of data pieces.

* Quá trình quét mẫu sản phẩm :

B ướ c 1 : Chuẩn hệ thống quét (lắp ráp máy quét, bàn quét, hệ thống đường cáp truyền, khởi động máy tính )

Bước 2: Phủ một lớp sơn màu trắng nhẹ lên bề mặt chi tiết, sau đó dán các điểm tham chiếu hình tròn lên bề mặt Cuối cùng, đặt chi tiết lên bàn quét có khả năng xoay tròn và di chuyển.

Hình 2.3 : Hình vẽ thể hiện nội dung các bước khi quét mẫu

Nguyên tắc quét mẫu yêu cầu thực hiện quét tuần tự hai mặt chính, sau đó ghép chúng lại với nhau Để đảm bảo tính chính xác, hai mặt này cần có ít nhất 3 điểm chung Quá trình này giúp tạo thành một mẫu quét hoàn chỉnh và đồng nhất.

Sau khi hoàn thiện mẫu quét 3D, chúng ta sẽ lưu file dưới định dạng STL Tiếp theo, file này sẽ được chuyển sang các phần mềm thiết kế ngược để tái tạo lại mô hình CAD cho chi tiết.

Để quét mặt trên của chi tiết, cần thực hiện nhiều lần quét từ các góc độ khác nhau nhằm thu thập toàn bộ dữ liệu Sau mỗi lần quét, chỉ cần xoay bàn một góc phù hợp để tiếp tục quét các vùng khác Đối với những khu vực khó tiếp cận ánh sáng, có thể điều chỉnh nguồn sáng hoặc kê đệm chi tiết Dữ liệu quét từ mỗi vùng sẽ được máy tính xử lý và ghép lại, tạo thành hình dạng hoàn chỉnh của mặt trên chi tiết.

Hình 2.4 : Kết quả quét mặt trên của mẫu

* Quét mặt dưới : Hoàn toàn giống với mặt trên của chi tiết ta có kết quả như hình vẽ dưới đây

Hình 2.5 : Kết quả quét mặt dưới của mẫu

* Cắt bỏ phần thừa và ghép 2 mặt lại với nhau

Trình tự : Chuột phải vào bất kỳ vị trí nào trên màn hình → Chọn Select through surface → Chọn vùng cần xóa → Vào Project → Deleted Select Point

→ Hiện ra hộp thoại → chọn OK

+ Ghép hai mặt lại tạo thành mẫu quét hoàn chỉnh

Trước tiên chúng ta chọn một mặt làm tham chiếu Select Reence → dữ

Ctrl chọn điểm tham chiếu → chuột phải vào những điểm đã chọn → chọn

Select as Commom Ref.point Đối với mặt còn lại chỉ cần chọn điểm tham chiếu (điểm chung của 2 mặt)

→ Proiect → Tranformations ( ghép, ràng buộc mặt lại với nhau )

+ Ghép các ảnh lại với nhau

Để đảm bảo hình ảnh mẫu quét được mượt mà và đẹp mắt, phục vụ cho việc thiết kế mô hình CAD, chúng ta sẽ tiến hành ghép các ảnh của hai mặt lại với nhau Mặc dù phần mềm đã tự động ghép dữ liệu sau mỗi lần quét, việc quét nhiều lần cho mỗi mặt vẫn cần thiết để đạt được kết quả tốt nhất.

Trình tự: Kích chuột phải vào mẫu → Select all → Project Complete Polygonization ( ghép các ảnh ) → OK

Khi quét mẫu, không thể tránh khỏi sai số, do đó, mẫu sau khi quét cần được chỉnh sửa để hoàn thiện Phần mềm ATOS V6.2.0.3 cung cấp tính năng chỉnh sửa các khuyết tật do quá trình quét để lại Sau khi hoàn thành việc quét mẫu sản phẩm, bước tiếp theo là xuất file STL và thiết kế lại mô hình CAD cho chi tiết.

Hình 2.6 : Mẫu quét hoàn chỉnh ở nhìn ở các góc độ khác nhau

Ứng dụng phần mềm Rapid Form XO Redesign (XOR) thiết kế lại mô hình CAD trên cơ sở dữ liệu số hóa

3.2.1 Giới thiệu về phần mềm XOR

Rapid Form Xo Redesign (XOR) là phần mềm thiết kế ngược hàng đầu của hãng Rapid Form (Hàn Quốc), cung cấp giải pháp hoàn chỉnh để xử lý dữ liệu từ Scan sang CAD Phần mềm này cho phép người dùng nhanh chóng và dễ dàng tạo ra các mô hình CAD tham số từ các chi tiết thực tế, nhờ vào quy trình thiết kế và giao diện thân thiện với người sử dụng CAD.

* Tạo các mô hình CAD tham số từ dữ liệu đám mây điểm SCAN

Rapidform XO Redesign (XOR) cho phép các nhà thiết kế ghi chú và điều chỉnh tham số thiết kế cho các chi tiết thực tế, ngay cả khi thiếu định nghĩa Features trong quá trình sản xuất hoặc không có mô hình CAD Công nghệ quét 3D kết hợp với XOR giúp các nhà sản xuất dễ dàng thu thập tham số thiết kế cho hầu hết các chi tiết, bao gồm cả Features hình trụ và bề mặt cong tự do Với các mô hình CAD được tạo ra trong XOR, người thiết kế và kỹ sư có thể hiệu chỉnh tham số thiết kế để hoàn thiện mô hình sản phẩm, sử dụng XOR hoặc hệ CAD phù hợp.

- XOR có các công cụ thông minh để có được các tham số thiết kế dữ liệu quét 3D – Redesign Assistant TM

- Thiết kế lại với các dung sai độ lệnh do người sử dụng định nghĩa –

- Nhận dạng thông minh và căn chỉnh dữ liệu quét 3D sang hệ thống tọa độ thiết kế - Align WizardTM

- Giảm thời gian thiết kế bằng cách sử dụng dữ liệu quét 3D làm cơ sở thiết kế

- Sử dụng các dữ liệu đầu ra với đầy đủ lịch sử mô hình hóa trong các hệ

- Quản lý lịch sử mô hình hóa và các tham số của mô hình

- Các chức năng mô hình hóa lại mô hình dạng Mesh (lưới),dạng Freeform Surface (mặt cong tự do) và dạng khối tham số( parametric solid )

- Khả năng mô hình hóa dạng Solid và dạng bề mặt tiêu chuẩn như Extrude,

Round, Revolve, Sweep và Loft

- Cập nhật các mô hình CAD hiện có để thay đổi trong môi trường xây dựng chi tiết - CAD-to-Scan Refit

* Các lợi thế của 3D Scanning của XOR

Các công cụ thiết kế trong XOR giống như những công cụ được sử dụng trong các ứng dụng CAD khác, cho phép người thiết kế tạo ra các mô hình hiệu quả.

SolidWorks, CATIA, Pro/Engineer và Unigraphics cho phép người dùng bắt đầu mô hình hóa ngay lập tức trong XOR Các tính năng hỗ trợ trong XOR cùng với công nghệ quét 3D có sẵn giúp các nhà thiết kế sử dụng dữ liệu quét 3D làm nền tảng cho thiết kế, từ đó nâng cao chất lượng mô hình CAD của sản phẩm.

- Quy trình thiết kế thông minh không cần phải Scan toàn bộ chi tiết

- Tạo các mô hình CAD chất lượng cao từ các dữ liệu Scan không hoàn chỉnh

- Tiết kiệm thời gian xử lý bằng cách xóa bỏ các lưới đa giác và các bề mặt nhiễu

- Các mô hình có khả năng chỉnh sửa trong cả Rapidform XO Redesign và các hệ CAD lớn

* Giải pháp phần mềm hoàn chỉnh nhất từ Scan - sang – CAD

Rapidform XO Redesign là phần mềm tiên tiến, cung cấp phương pháp mới và xử lý nhóm hiệu quả để xây dựng mô hình CAD tham số từ dữ liệu quét Phần mềm này tạo ra các mô hình chất lượng cao, thuận tiện cho các ứng dụng như tạo mẫu nhanh, gia công CNC, CAE, và có khả năng xuất sang các ứng dụng CAD khác để hiệu chỉnh.

- Chức năng thiết kế khép kín end – to – end từ dữ liệu lưới sang mô hình CAD

Hỗ trợ cho tất cả các quy trình thiết kế ngược, cung cấp ghi chú thiết kế và cho phép lấy ra các tham số thiết kế, hoặc tạo ra bản sao chính xác.

- Tối ưu hóa tức thì dữ liệu lưới cho các hướng sử dụng RP, CAM, CAE và phát triển ảo

- Khả năng mô hình hóa với độ tinh vi cao nhưng vẫn tận dụng các feature mô hình hóa khối và bề mặt quen thuộc

- Khả năng tinh chỉnh dữ liệu lưới để tạo các lưới chất lượng cao

- Chỉ cần nhấn một nút để chuyển nhanh sang các ứng dụng kiểm tra & phân tích thiết kế

- Tự động chia lại lưới cho việc tạo ra các mô hình chức năng CAE,Scan-to-

3.2.2 Các chế độ làm việc của Rapid form XOR

XOR có 6 chế độ làm việc, mỗi chế độ mang đến các kiểu hiệu chỉnh riêng biệt Dưới đây là hình ảnh minh họa cho các chế độ này.

Hình 2.7 : Các chế độ làm việc của Rapid Form XOR

Trong chế độ Mesh, người dùng có thể sử dụng công cụ Heal Wizard để hàn đầy các phần không hoàn chỉnh của dữ liệu lưới Các công cụ như Fix Normal, Fill Holes giúp khắc phục các vấn đề, trong khi công cụ Smooth làm mịn bề mặt Để giảm số lượng điểm trong lưới, công cụ Decimate được áp dụng, và công cụ Enhance giúp làm trơn toàn bộ dữ liệu Cuối cùng, việc tối ưu hóa dữ liệu lưới có thể thực hiện thông qua công cụ Optimize Mesh, bên cạnh khả năng hiệu chỉnh biên dạng và tái tạo lưới tam giác.

FEM, RP và Machining cung cấp nhiều tính năng để tạo ra dữ liệu hoàn chỉnh, cho phép tinh chỉnh và tối ưu hóa bề mặt lưới trước khi chuyển đổi thành dạng solid hoặc surface.

Trong chế độ Region group, người dùng có khả năng phân vùng dữ liệu một cách hiệu quả Các miền dữ liệu được nhóm lại thông qua việc phân tích bề mặt của dữ liệu lưới, từ đó tạo ra các mặt, hình tham chiếu và nhiều ứng dụng khác.

Trong chế độ Mesh Sketch, người dùng có thể trích xuất thông tin từ các bộ phận và tạo phác thảo dựa trên dữ liệu lưới Những phác thảo này sau đó được sử dụng để hình thành các khối đặc hoặc bề mặt cho các chi tiết.

Trong chế độ Sketch Mode, người dùng có thể dễ dàng vẽ các hình dạng như đường thẳng, cung, đường cong và hình tròn mà không cần phải sử dụng dữ liệu mới.

Sketch như là môđun CAD của các phần mềm khác

Trong chế độ 3D Mesh Sketch, người dùng có khả năng vẽ các mô hình 3D trong không gian, cho phép tạo ra các phần tử chi tiết và đường giao tuyến giữa các vật thể Những đường giao tuyến này có thể được sử dụng để hình thành các mặt hoặc khối đặc, mở ra nhiều cơ hội sáng tạo trong thiết kế 3D.

3.2.3 Quá trình sử dụng phần mềm XOR trong xử lý dữ liệu scan, xây dựng mô hình CAD cho chi tiết mẫu quét

Trước khi dựng mô hình CAD, dữ liệu thô cần được chỉnh sửa và tối ưu hóa để khắc phục các khuyết tật Đầu tiên, chúng ta sẽ phân vùng dữ liệu và tạo ra một khối trụ bao kín chi tiết Dựa trên dữ liệu lưới, các bề mặt và khối Extrude sẽ được xây dựng từ các phác thảo Cuối cùng, bằng cách cắt, ghép và lấy đối xứng từ các mặt và khối đã tạo, chúng ta sẽ hoàn thiện chi tiết mô hình.

Qúa trình sử lý dữ liệu số hóa được thực hiện như sau :

3.2.3.1 Xử lý lưới dữ liệu (Mesh Editing)

Để nhập mô hình quét, từ màn hình làm việc, bạn chọn Insert/Import và lấy mô hình từ vị trí đã lưu Nhấn đúp chuột vào mô hình để chuyển sang chế độ Mesh bằng cách nhấn vào biểu tượng trên Tool bar hoặc chọn Tool/Mesh tool Sau đó, các biểu tượng sẽ xuất hiện trên Tool bar; bạn có thể sử dụng các công cụ này để làm sạch bề mặt lưới, tính năng của các dụng cụ đã được trình bày trong phần Mesh của mục 3.2 trang 29.

Hình 2.8 : Các công cụ xử lý dữ liệu

Tùy từng file quét mà chúng ta sử dụng các công cụ cho thích hợp trong mẫu quét này em dùng một vài tính năng công cụ như :

- Tìm lại dữ liệu điểm mà dữ liệu tam giác chồng chéo lên nhau và xóa bỏ phần đó đi bằng công cụ Fend Defech

- Tự động tìm các dữ liệu rời rạc và liên kết chúng lại với nhau Healing

- Làm bóng các bề mặt Smooth

- Giảm số lượng lưới tam giác Decimate

- Tối ưu hóa dữ liệu lưới Optimize Mesh

Hình dưới đây thể hiện kết quả của của các công cụ xử lý dữ liệu sau khi quét.

Hình 2.9 : Xử lý dữ liệu quét

3.2.3.2 Phân mảng vùng dữ liệu (Region Group)

Đánh giá sai số thiết kế

4.2.1 Các phương pháp đánh giá sai số thiết kế

Quá trình thiết kế ngược từ sản phẩm hình CAD bao gồm các bước quét mẫu để thu thập dữ liệu đám mây điểm, sau đó tái thiết kế mô hình CAD dựa trên dữ liệu này bằng phần mềm thiết kế lại Sai số tổng thể của quá trình thiết kế, ký hiệu là δ TK, bao gồm sai số từ quá trình quét mẫu trên máy ATOS (δ QM) và sai số trong quá trình thiết kế lại (δ RE) Để xác định sai số thiết kế, có hai phương pháp có thể áp dụng.

Thiết bị quét Phần mềmTK

Mô hình đám lại (XOR) là một phương pháp quan trọng trong việc so sánh sai số quét mây điểm với thiết kế mô hình CAD Việc đo trực tiếp trên mẫu và so sánh với mô hình CAD giúp xác định sai số thiết kế và cải thiện quy trình thiết kế lại mẫu Các thông số sai số như δ QM và δ RE cần được chú ý để đảm bảo độ chính xác trong quá trình thực hiện.

Sai số thiết kế :δ TK

Để đánh giá sai số trong quá trình quét mẫu và thiết kế lại đám mây điểm, chúng ta sử dụng công thức δ TK = δ QM + δ RE Phương pháp này cho phép xác định sai số cụ thể ở từng công đoạn, giúp nhận biết rõ ràng giai đoạn nào có sai số thiết kế chủ yếu Tuy nhiên, việc tìm ra sai số quét mẫu lại gặp khó khăn do phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.

- Sai số của thiết bị quét (Sai số của máy quét ATOS) Sai số này khoảng

50 àm tuy nhiên không cố định mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khoảng cách quang học, tiêu điểm, chế độ quét, điều kiện ánh sáng, phông nền, kích thước mẫu quét và ống kính quét Việc xác định chính xác các yếu tố này gặp nhiều khó khăn và hiện chưa có công cụ tính toán để đánh giá các sai số liên quan.

Sự phụ thuộc vào sai số khi sử dụng phần mềm quét ảnh ảnh hưởng đến chất lượng kết quả Sai số này bao gồm các yếu tố như độ chính xác trong tính toán của phần mềm khi điều khiển máy, bắt vật mẫu, điều chỉnh tiêu cự, và các điều chỉnh của người dùng Ngoài ra, việc chọn chế độ điều khiển máy và độ phân giải ảnh tối đa của phần mềm so với khả năng của máy cũng quyết định đến chất lượng ảnh đầu ra.

Để đánh giá sai số trong thiết kế δ TK, ngoài phương pháp đầu tiên, còn có một cách truyền thống là đo trực tiếp sai số trên mô hình thực và so sánh với mô hình CAD Phương pháp này cho độ tin cậy cao nhất do không có khâu trung gian, nhưng không thể đánh giá hết các đặc tính thiết kế và quá trình đo nhiều lần từ nhiều góc độ có thể tốn thời gian hoặc không thực hiện được Hơn nữa, phương pháp này yêu cầu sử dụng nhiều thiết bị và dụng cụ đo kiểm chính xác như máy đo tọa độ CMM, Pamel số, thước kẹp và đồng hồ so.

Thước cặp Dụng cụ đo độ sâu Dụng cụ đo độ cao

Pamel đo mặt ngoài Pamel đo mặt trong Đồng hồ so

Bộ kích thước chuẩn Bàn chuẩn Thước đo Lazer

Hình 2.53: Các dụng cụ đo chính xác

Trong đồ án này, tôi sẽ thực hiện đánh giá sai số theo phương pháp 1, tập trung vào việc đánh giá sai số thiết kế của mô hình CAD dựa trên dữ liệu số hóa bằng phần mềm XOR.

4.2.2 Đánh giá sai số giữa mô hình CAD đã thiết kế với dữ liệu số hóa

Sai số giữa mô hình CAD thiết kế lại và dữ liệu số hóa từ đám mây điểm có thể được xác định một cách dễ dàng thông qua công cụ Accuracy trong XOR, cho phép người dùng đánh giá độ chính xác (δ RE) của mô hình.

Analyzer (TM) là công cụ giúp đối chiếu mô hình CAD với mô hình đám mây điểm cơ sở, xác định sai số cụ thể cho từng chi tiết, bề mặt và góc cạnh Sai số được hiển thị bằng màu sắc trên mô hình CAD, giúp người thiết kế nhận diện các vùng không đạt yêu cầu dung sai cho phép Để sử dụng, người dùng chỉ cần nhấp chuột phải vào thanh công cụ và chọn Accuracy Analyzer (TM) Để xem bảng màu dung sai, chọn tùy mục Deviation trong phần Type, phần mềm sẽ tự động tính toán và cung cấp màu dung sai theo bản đồ màu.

Hình 2.54 : Đánh giá sai số giữa mô hình CAD(mặt trên) đã thiết kế với dữ liệu số hóa

Để đánh giá sai số giữa mô hình CAD đã thiết kế và dữ liệu số hóa, ta cần kích chọn tùy mục "Allowable" để tự định nghĩa miền dung sai hiển thị.

Nhập giá trị dung sai cho tùy chọn Thấp và Cao (trong bài thiết kế chọn là ± 0.2 mm) và chọn màu hiển thị cho miền dung sai Nếu không lựa chọn tùy chọn này, máy sẽ tự động thiết lập miền dung sai là mm.

Bạn có thể điều chỉnh giới hạn dung sai của bảng màu bằng cách nhấp vào mũi tên màu xanh lam ở hai đầu bảng Ngoài ra, bạn có thể di chuyển hoặc nhấp đúp vào đó để nhập giá trị giới hạn dung sai Phần mềm sẽ tự động cập nhật và phân chia lại bản đồ màu, hiển thị trên mô hình CAD.

Hình 2.56 : Bản đố màu cập nhật mô hình sau khi giảm giới hạn dung sai

Công cụ Accuracy Analyzer không chỉ tính toán và đưa ra dung sai thiết kế mà còn cung cấp nhiều tùy chọn hiển thị sai số theo cách mà người dùng thiết lập Nó cho phép người dùng kiểm tra sai số không chỉ sau khi hoàn thành mô hình CAD, mà còn trong suốt quá trình thiết kế, hỗ trợ việc lập phác thảo Mesh Sketch, 3D Sketch, bắt điểm cho các đường Polyline, và so sánh các cung vẽ cùng đường cong phác thảo.

Hình 2.57 : Accuracy Analyzer trong hỗ trợ bắt điểm , tạo phác thảo 3D

Một vài mô hình CAD được thiết kế lại từ dữ liệu số hóa

Hình 2.58 : Một vài mô hình CAD được xây dựng lại trên phần mềm Rapidfom XO

Trong chương này, tôi đã hoàn thành việc thiết kế lại mô hình CAD dựa trên mẫu sản phẩm có sẵn Tiếp theo, tôi sẽ giới thiệu công nghệ tạo mẫu nhanh để phát triển mô hình chi tiết, với quy trình cụ thể sẽ được trình bày ở phần II.

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH

MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH ĐIỂN HÌNH

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH ĐỂ CHẾ TẠO MỘT SỐ SẢN PHẨM TRÊN MÁY TẠO MẪU SPECTRUM Z510

Định dạng
Số trang	93
Dung lượng	5,46 MB