thiet kế scan 3d laser

MỤC LỤC 1A PHẦN MỞ ĐẦU 11 Lí do chọn đề tài 12 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 12 1 Ý nghĩa khoa học 12 2 Ý nghĩa thực tiễn 13 Mục tiêu nghiên cứu 14 Phương pháp nghiên cứu 25 Tóm tắt tiến trình thực hiện đề tài 3B NỘI DUNG 3Chương 1 Tổng quan về công nghệ thiết kế ngược 31 1 Giới thiệu về công nghệ thiết kế ngược 61 2 Thiết kế ngược bằng phương pháp quang học 6.

BỘ LAO TRƯỜNG  BÁO CÁO TỔNG KẾT Tên đề tài: Mã số: Chủ nhiệm đề tài: Thời gian thực hiện: DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA MỤC LỤC A PHẦN MỞ ĐẦU .1 Lí chọn đề tài Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài 2.1 Ý nghĩa khoa học 2.2 Ý nghĩa thực tiễn Mục tiêu nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu 5.Tóm tắt tiến trình thực đề tài B NỘI DUNG Chương 1: Tổng quan công nghệ thiết kế ngược 1.1 Giới thiệu công nghệ thiết kế ngược 1.2 Thiết kế ngược phương pháp quang học 1.3 Thiết bị thiết kế ngược 1.4 Phần miềm quản lý liệu quét Geomagic 1.5 Thiết kế ngược creo freestye Chương 2: Thiết kế chế tạo máy scan 3D laser 11 2.1 Xây dựng sơ đồ nguyên lý hoạt động 11 2.2 Thiết kế lắp ghép mơ hình 19 Chương 3: Thử nghiệm mơ hình máy scan 3D laser 26 3.1 Khởi động hiệu chỉnh mơ hình .26 3.2 Thử nghiệm máy quét với vật mẫu .29 Chương 4: Kết luận kiến nghị 32 4.1 Kết luận .32 4.2 Kiến nghị .32 Tài liệu tham khảo .33 PHỤ LỤC 35 DANH MỤC CÁC HÌNH Ký hiệu Tên hình Trang Hình 1.1 Qui trình lấy mẫu áp dụng công nghệ thiết kế ngược Hình 1.2 Mơ hình máy qt 3D Hình 1.3 Qui trình chỉnh sửa liệu quét Geomagic Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy quét thu hình vật thể 3D 11 Hình 2.2 Arduino Uno Mega2560 12 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch Arduino 13 Hình 2.4 ATmega 2560 sơ đồ chân kết nối 14 Hình 2.5 Module điều khiển động bước 15 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý hình ảnh board điều khiển cơng suất 16 Hình 2.7 Cấu tạo Sơ đồ chân động bước NEMA17 17 Hình 2.8 Bản vẽ thiết kế 2D hộp đựng mạch điều khiển 19 Hình 2.9 Mơ hình hóa 3D chi tiết hộp đựng mạch điều khiển 19 Hình 2.10 Bản vẽ thiết kế 2D tay biên 20 Hình 2.11 Mơ hình hóa 3D chi tiết tay biên 20 Hình 2.12 Bản vẽ thiết kế 2D hộp chứa camera 21 Hình 2.13 Mơ hình hóa 3D chi tiết hộp chứa camera 21 Hình 2.14 Bản vẽ thiết kế chi tiết đế chứa động Bước 22 Hình 2.15 Mơ hình thiết kế 3D chi tiết đế chứa động bước 22 Hình 2.16 Bản vẽ 2D chi tiết đế quay 23 Hình 2.17 Mơ hình 3D chi tiết bàn xoay 23 Hình 2.18 Lắp ghép chi tiết mơi trường lắp ghép 24 Hình 2.19 Lắp ghép chi tiết hồn chỉnh mơi trường lắp ghép 24 Hình 2.20 Bản vẽ tổng thể mơ hình máy scan 3D 25 Hình 3.1 Khởi động kết nối phần mềm Horus 26 Hình 3.2 Cài đặt phổ màu cho camera tương thích với độ sáng 26 Hình 3.3 Điều chỉnh Lazer máy quét thu hình 26 Hình 3.4 Cài đặt calib góc qt camera 27 Hình 3.5 Cài đặt calib góc qt Lazer 27 Hình 3.6 Calib vùng quét camera logic 27 Hình 3.7 Vật mẫu scanning 28 Hình 3.8 Vật mẫu lưu dạng file.ply 28 Hình 3.9 Mơ hình thiết kế hồn thiện sau quét thu hình 29 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 3D: DIMENSION CNC: COMPUTER NUMERICAL CONTROL CAD: COMPUTER AIDED DESIGN CAM: COMPUTER AIDED MANUFACTURING FE: FORWARD ENINEERING RE: REVERSE ENGINEERING Thông tin chung: Mục tiêu: Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Scan 3D Laser để phục vụ công tác giảng dạy tạo điều kiện nghiên cứu học tập cho sinh viên lĩnh vực thiết kế ngược tạo mẫu nhanh Tính sáng tạo: Do thực tế trường có máy scan 3D giá trị cao số lượng sinh viên học thực hành đông, nên nhu cầu sử dụng nghiên cứu tăng theo nên định nghiên cứu chế tạo thêm máy scan 3d, để phục vụ công tác giảng dạy nghiên cứu với giá thành tiết kiệm nhiều so với máy thị trường Kết nghiên cứu: Thiết kế chế tạo khung cho máy quét laser, nghiên cứu lý thuyết điều khiển ứng dụng điều khiển cho máy quét hoạt động, nghiên cứu xử lý mẫu quét thông qua thiết kế ngược tạo mẫu nhanh Sản phẩm: - Quyển thuyết minh đề tài có kết nghiên cứu đầy đủ yêu cầu - Máy scan 3d Lazer hoàn chỉnh - Một báo khoa học đăng thông tin khoa học Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: A PHẦN MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Trong thực tế, đối tượng vật lý tồn dạng vật thể chiều (còn gọi vật thể 3D, dimensions) Vật thể 3D đơn giản giảng dạy mơn học Hình học khơng gian, Hình học giải tích, phần mềm vẽ kỹ thuật mơ Lập trình Pascal Làm lưu giữ vật thể 3D, đặc biệt vật thể 3D có kết cấu bề mặt tạo hình phức tạp dạng file hình ảnh mà xử lý sử dụng phần mềm máy tính khác nhau, chí in, chế tạo chúng dễ dàng? Để trả lời câu hỏi trình nghiên cứu tác giả nảy ý tưởng “Thiết kế chế tạo máy scan 3D laser” Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài 2.1 Ý nghĩa khoa học - Sử dụng công nghệ Thiết kế ngược tạo mẫu nhanh tảng liệu đám mây điểm - Bước đầu ứng dụng phần mềm thiết kế 3D vận dụng vào hỗ trợ trực quan cho môn học 2.2 Ý nghĩa thực tiễn - Nhận dạng thu hình vật mẫu thu hình - Hiểu biết thêm lĩnh vực xử lý ảnh, đặc biệt biết thêm thiết lập điều khiển động lập trình điều khiển - Góp phần xây dựng ứng dụng công nghệ thông tin vào giảng dạy Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết thiết kế ngược tạo mẫu nhanh, nghiên cứu phần mềm thiết kế 3D ứng dụng hỗ trợ quét hình chỉnh sửa bề mặt thiết kế theo ý tưởng người học Phương pháp nghiên cứu Phối hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm Với phương pháp nghiên cứu lý thuyết, tác giả nghiên cứu thuật toán thiết kế ngược mơ hình vật thể 3D, thiết kế vật thể chỉnh sửa theo mong muốn Lập trình giao tiếp điều khiển với máy quét thông quan tảng lập trình Arduino Thiết kế, chế tạo mơ hình máy quét vật thể 3D Dự kiến, thiết kế chế tạo máy scan 3D máy tính có tính sau: - Có thể qt lại khối hình phục vụ cho mơn học giúp cho em sinh viên dễ hình dung hình dáng vật thể, có nhìn đa chiều khối hình học, ứng dụng phần mềm tính tốn để kiểm tra thơng số hình học, chiều dài khối hình học so với tính tốn thực tế, thể tích V, gán vật liệu, xác định trọng tâm, tính trọng lượng - Có thể thể chỉnh sửa vật thể theo ý sáng tạo mong muốn; - Có thể kết nối với máy in 3D để tạo nhanh mẫu vật thể; - Có thể lập trình để gia cơng chi tiết máy CNC 5.Tóm tắt tiến trình thực đề tài Các nội dung, công việc TT thực chủ yếu (Các mốc đánh giá chủ yếu) Sản phẩm Thời gian đạt bắt đầu - kết thúc Thiết kế chế tạo khung khí cho máy Scan 3D Khung khí hồn chỉnh 02-05/2020 Nghiên cứu lý thuyết điểu khiển cấu thông qua mạch Aduino Board mạch điều khiển máy 05-08/2020 Nghiên cứu lý thuyết thiết kế ngược tạo mẫu nhanh Tài liệu ứng dụng xử lý vật thể quét 08-12/2020 Thuyết minh đề tài Bài báo khoa học B NỘI DUNG Chương 1: Tổng quan công nghệ thiết kế ngược 1.1 Giới thiệu công nghệ thiết kế ngược Trong lĩnh vực sản xuất, thông thường để chế tạo sản phẩm, người thiết kế đưa ý tưởng sản phẩm đó, phác thảo sản phẩm, q trình tính tốn thiết kế, chế thử, kiểm tra, hoàn thiện phác thảo, để đưa phương pháp tối ưu, cuối cơng đoạn sản xuất sản phẩm Đây chu trình sản xuất truyền thống, phương pháp sản xuất áp dụng từ bao kỷ Phương pháp cịn gọi cơng nghệ sản xuất thuận (Forward Enineering) Trong vài chục năm trở lại với phát triển với phát triển công nghệ, xuất dạng sản xuất theo chu trình mới, ngược với sản xuất truyền thống, chế tạo sản phẩm theo dựa sản phẩm có sẵn Quy trình gọi công nghệ thiết kế ngược (Reverse Engineering) hay hiểu công nghệ chép mẫu hay công nghệ chế tạo ngược Công nghệ đời dựa nhu cầu sản xuất thực tế, người ta cần chế tạo sản phẩm theo mẫu có sẵn mà chưa (hoặc khơng) có mơ hình CAD tương ứng chi tiết không rõ xuất xứ, phù điêu, phận thể người, động vật Hay đơn giản chép lại kết sản phẩm khẳng định tên tuổi thị trường (để giảm chi phí chế tạo mẫu) để cải tiến sản phẩm theo hướng Để tạo mẫu sản phẩm này, trước người ta phải đo đạc vẽ phác lại dựng sáp, thạch cao để in mẫu Các phương pháp cho độ xác khơng cao, tốn nhiều thời gian công sức, đặc biệt chi tiết phức tạp Ngày người ta sử dụng máy qt hình để số hóa hình dáng chi tiết sau phần mềm CAD/CAM chuyên dụng để xử lý liệu số hóa cuối tạo mơ hình CAD 3D cho chi tiết với độ xác cao Mơ hình CAD chỉnh sữa cần Trên phạm vi rộng công nghệ thiết kế ngược định nghĩa hoạt động bao gồm bước phân tích để lấy thơng tin sản phẩm có sẵn (bao gồm thơng tin chức phận, đặc điểm kết cấu hình học, vật liệu, tính cơng nghệ) sau tiến hành khơi phục lại mơ hình CAD cho chi tiết phát triển thành sản phẩm mới, sử dụng thể cách xác, với trợ giúp phần miềm Autocad ta phác thảo vẽ 2D Hình 2.10 Bản vẽ thiết kế 2D tay biên Sau có vẽ 2D ta tiến hành phác thảo chi tiết từ 2D sang 3D trợ giúp phần mềm thiết kế Inventor Professional ta hình vẽ sau Với đường kính kích thước thiết kế theo vẽ phát thảo 2D Hình 2.11 Mơ hình hóa 3D chi tiết tay biên Kế tiếp ta tìm hiểu chi tiết hộp chứa camera, hai chi tiết hộp chứa camera khơng phần quan trọng máy qt, giữ nhiệm vụ định vị cố định camera giữ cho camera tùy chỉnh góc quay hỗ trợ cho phần điều chỉnh calip cho máy quét 21 Hình 2.12 Bản vẽ thiết kế 2D hộp chứa camera Sau có vẽ 2D ta tiến hành phác thảo chi tiết từ 2D sang 3D trợ giúp phần mềm thiết kế Inventor Professional, vẽ đường bao chi tiết cới kích thước hình, tạo khối tọa lỗ cho chi tiết, tiếp thep tạo rãnh chứa camera, cuối ta mơ hình chi tiết 3D hình bên Hình 2.13 Mơ hình hóa 3D chi tiết hộp chứa camera Sau thiết kế mơ hình hóa chi tiết hộp chứa camera ta tiến hành thiết kế đế chứa động bước, theo sơ đồ nguyên lý động điều khiển quay góc α để camera lazer thu lại biên dạng vật thể, vẽ thiết kế 2D phát thảo sau 22 Hình 2.14 Bản vẽ thiết kế chi tiết đế chứa động Bước Từ vẽ thiết kế 2D phần mềm autocad, tiếp tục mơ hình hóa 3D chi tiết, đùng đánh giá khả làm việc độ thẩm mỹ thiết kế phục vụ cho trình chế tạo mơ hình máy in 3D Hình 2.15 Mơ hình thiết kế 3D chi tiết đế chứa động bước Sau thiết kế đế chứa động cơ, theo sơ đồ nguyên lý thiết bị hoạt động thu hình từ góc quay α động cơ, chi tiết qua đặt nằm đế quay nên ta thiết kế đế quay với vẽ phác thảo 2D sau: 23 Hình 2.16 Bản vẽ 2D chi tiết đế quay Với vẽ 2D đế quay chi tiết ta tiến hành thiết kế mơ hình 3D cho chi tiết, có đường kinh vịng bao D = 200mm, kẹp chặt với lõi động bước ốc định vị cố định, mơ hình 3D chi tiết thiết kế phân mềm Inventor Professional hình 2.16 Hình 2.17 Mơ hình 3D chi tiết bàn xoay b Lắp ghép mơ hình máy qt 24 Sau thiết kế xong chi tiết cần thiết quan trọng để cấu tạo nên mơ hình máy qt, ta tiến hành đưa chi tiết vào môi trường lắp ghép, xây dựng thành mơ hình hồn chỉnh từ khảo sát hoạt động cải tiến thiết kế (nếu có) Đưa chi tiết vào môi trường lắp ghép phần mềm Inventor, tiến hành lắp ghép chi tiết thành cụm liên kết, theo sơ đồ nguyên lý đề xuất từ ý tưởng thiết kế Hình 2.18 Lắp ghép chi tiết mơi trường lắp ghép Lắp ghép hồn thiện cụm chi tiết cấu thành máy quét thu hình, lắp chi tiết bàn xoay lên phần đế giữ động bước với kích thước tương thích với vẽ ngun lý, ta thấy mơ hình lắp ghép hồn chỉnh hình 2.19 Hình 4.16 Mơ hình máy qt thu hình 3D lắp ghép hồn thiện Sau lắp hồn thiện mơ hình ta tiến hành cho file vào in 3D để lắp ghép chi tiết thực tế lại với nhau, thơng qua vận hành thử nghiệm máy quét hiệu khả làm việc máy quét thu hình 3D, đồng thời ta có vẽ lắp từ có sở để chế tạo lắp ghép hồn thiện mơ hình, vẽ lắp được trình bày tổng thể sau Hình 2.19 Lắp ghép chi tiết hồn chỉnh mơi trường lắp ghép 25 Hình 2.30 Bản vẽ tổng thể mơ hình máy scan 3D Chương 3: Thử nghiệm mơ hình máy scan 3D laser 3.1 Khởi động hiệu chỉnh mơ hình Điều khiển mơ hình máy qt thu hình dựa phần mềm mã nguồn mở Horus phần mềm đa tảng thiết kế để kiểm soát máy quét 3D nguồn mở Giao diện đồ họa để quản lý thông tin liên lạc, thu thập đồng hóa liệu, xử lý hình ảnh, quy trình hiệu chuẩn tạo trực quan hóa đám mây điểm Nó phát triển tối ưu hóa cho GNU/Linuxl Ubuntu Nó thử nghiệm Window Mac hỗ trợ Phần mềm mã hóa Python 3, sử dụng wxPython 4, NumPy 5, SciPy 6, Matplotlib 7, OpenGL8 phiên OpenCV 9, tối ưu hóa cho Linux Horus phần mềm nguồn mở Mã nguồn xuất GitHub phát hành theo GPL v2 Licence10 Giấy phép đảm bảo quyền tự liên quan đến việc sử dụng phần mềm nguồn mở Sử dụng máy quét 3D thông qua phần mềm Logitech Camera Horus để quét vật mẫu thu liệu dạng đám mây điểm 26 Tương tự việc khởi động ứng dụng khác (nháy đúp chuột vào biểu tượng, click phải chuột vào biểu tượng open) Kết nối với nguồn camera Hình 3.1 Khởi động kết nối phần mềm Horus Sau kết nối ta vào mục Calibration để set up máy trước quét vật thể, vào camera settings cài đặt thông số đến hình xuất phổ màu với thơng số Brightness (độ sáng), contrast (tương phản), saturation (bão hòa), exposure (phơi sáng) Hình 3.2 Cài đặt phổ màu cho camera tương thích với độ sáng Vào Laser setting bật laser left (trái) right (phải) xem hình 3.2, điều chỉnh tia laser tâm đĩa xoay, sau để bảng thử lên chiếu tia laser song song với vng góc với đường thẳng nằm ngang Hình 3.3 Điều chỉnh Lazer máy quét thu hình 27 Tiến hành Calib Camera intrisics, chọn Start, xoay bảng thử theo nhiều hướng khác để chụp (dùng phím cách) 10 góc độ bảng calib sau chọn Accept để hồn tất Hình 3.4 Cài đặt calib góc quét camera Tiếp tục calib Laser triangulation đặt bảng calib lên bàn xoay, đặt góc độ bảng theo hướng dẫn, chọn Start cho máy quét quanh vòng như, Sau qt xong chọn Accept để hồn tất Hình 3.5 Cài đặt calib góc quét Lazer Cuối calib Platform extrinsics không gian quét camera đặt bảng calib lên xoay theo hướng ngược lại, chọn start cho máy quét, qt xong diên dạng hình trịn, chọn accept để hồn tất Hình 3.6 Calib vùng qt camera logic 28 3.2 Thử nghiệm máy quét với vật mẫu Sau tiến hành calib máy quét thu hình ta tiến hành thử nghiệm quét thu hình số vật mẫu, vào chế độ làm việc Scanning mơi trường qt thu hình vật thể, vật thể thu có hình dáng tượng mơ hình, hay dạng khối hình học Hình 3.7 Vật mẫu scanning Hình sau qt hồn thành ta thu biên dạng lưu file lại để làm liệu cho việc chỉnh sửa ảnh bước cuối in 3d gia công máy cnc File → save model file lưu dạng.ply File lưu sử dụng chỉnh sửa phần mềm thiết kế 3D giới thiệu trên, môi trường chỉnh sửa lại khuyến điểm sả trình quét vật mẫu Hình 3.8 Vật mẫu lưu dạng file.ply 29 Khi đưa mơ hình mơi trường thiết kế Geomagic, chọn Fill Single để vá phần lại, chọn vùng xung quanh cổ vịt để giảm Noise Sau chọn vùng cần giảm ta chọn Relax, xuất hình, điều chỉnh Parameters cho phù hợp OK, chọn tiếp công cụ Remove Spikes hợp Apply Apply lựa chọn mức độ Smoothness Level phù Ok Tiếp tục chọn công cụ QuickSmooth để làm mịn lần cuối Tiếp theo vào môi trường creo để chỉnh sửa lần cuối tiến hành in chi tiết lưu liệu để gia công má CNC: - Model - Chọn Auto Surface - Điều chỉnh Add patches: 200 Chọn Surface chỉnh Resolution : hình, nhấn OK ta có kết Restyle chọn để kiểm tra cho kết hình để kiểm tra cho kết hình, sau tiếp tục OK để xác nhận 30 Để tạo khối đặc chọn OK hồn tất sử dụng file vào mơi trường in3D xuất vẽ để gia công CNC Hình 3.9 Mơ hình thiết kế hồn thiện sau quét thu hình 31 Chương 4: Kết luận kiến nghị 4.1 Kết luận Thiết bị chế tạo bước đầu quét thử biên dạng số mẫu Đảm bảo nguyên lý chung nguyên tắc quét biên dạng 3D chi tiết theo phương pháp thu hình vật thể 3D Hệ thống mạch điều khiển, phần mềm điều khiển dễ sử dụng trực quan giúp cho việc đo quét, ghi nhận, lưu kết dễ dàng, số liệu đo ghi lại chuyển khác trích dẫn xử lý phần mềm khác Các chương trình điều khiển viết phần mềm Arduino IDE giúp cho việc hoàn thiện kế thừa nghiên cứu dễ dàng Các kết đo quét ban đầu giúp so sánh mẫu đo, kết đo tin cậy 4.2 Kiến nghị Thông qua việc chế tạo thử nghiệm thiết bị tác giả nhận thấy cần có số nghiên cứu sâu để hoàn thiện thiết bị sau: - Bước dịch chuyển đầu đo cần nhỏ - Camera cần có độ phân giải cao - Bước dịch chuyển hệ khí nhỏ - Nghiên cứu thêm yếu tố ảnh hưởng đến kết đo quét - Mở rộng phạm vi đo - Phần mềm xử lý tín hiệu với tốc độ nhanh 32 Tài liệu tham khảo Tiếng Việt [1] Dương Đức Hiếu, Nguyễn Dương Hùng, Vũ Hoàng Tuấn, Thiết kế máy quét laser dạng đường, Đồ án tốt nghiệp đại học, Đại học Bách khoa Hà nội, 2010 [2] Hoàng Ngọc Hai, Mai Xuân Toàn, Thiết kế máy đo quét laser 3D, Đồ án tốt nghiệp đại học, Đại học Bách khoa Hà nội, 2013 [3] Lưu Thủy Chung, Xử lý số liệu đo kích thước chi tiết phương pháp quét laser, Luận văn thạc sĩ, Đại học Bách khoa Hà Nội, 2009 [4] Nguyễn Phùng Quang, Matlap & simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật Tiếng Anh [5] Nermina ZAIMOVIC-UZUNOVIC, Samir LEMES - INFLUENCES OF SURFACE PARAMETERS ON LASER 3D SCANNING, University of Zenica, Fakultetska, 2010 33 34 PHỤ LỤC 35 ... Thiết kế chế tạo máy scan 3D laser 11 2.1 Xây dựng sơ đồ nguyên lý hoạt động 11 2.2 Thiết kế lắp ghép mô hình 19 Chương 3: Thử nghiệm mơ hình máy scan 3D laser 26 3.1... phương pháp chế tạo in 3d sử dụng vật liệu nhựa 10 Chương 2: Thiết kế chế tạo máy scan 3D laser 2.1 Xây dựng sơ đồ nguyên lý hoạt động a Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy scan 3D Sơ đồ nguyên lý trình... tạo máy Scan 3D Laser để phục vụ công tác giảng dạy tạo điều kiện nghiên cứu học tập cho sinh viên lĩnh vực thiết kế ngược tạo mẫu nhanh Tính sáng tạo: Do thực tế trường có máy scan 3D giá trị