(Tiểu luận) báo cáo bài tập lớn kỹ thuật đo lường 3d đề bài đo lường tiếp xúc bằng máy cmm

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ Nhóm chun mơn Cơ khí xác & Quang học ********** BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG 3D ĐỀ BÀI: ĐO LƯỜNG TIẾP XÚC BẰNG MÁY CMM GVHD SVTH TS Nguyễn Thị Kim Cúc Nguyễn Xuân Hiếu 20184848 Đặng Thanh Nam 20185020 Đỗ Ngọc Trường 20185176 Vũ Văn Vững 20171949 Hà Nội, tháng 12 năm 2022 Trang h LỜI MỞ ĐẦU Kỹ thuật đo lường chặng đường dài, có phát triển đặc biệt vòng 20 năm qua với đời công nghệ đo lường 3D Ngày nay, đo lường 3D phổ biến, không lĩnh vực kiểm tra chất lượng mà áp dụng thiết kế, chế tạo ngược phim ảnh Và công nghệ đo lường 3D phần thiếu q trình sản xuất Đơi nhìn vào vật thể có hình dáng vơ phức tạp làm để thu tất phép đo hình học Việc đo lường khơng thể sử dụng dụng cụ đo bình thường hay sử dụng Để làm điều này, người ta sáng chế công nghệ đo lường 3D Đề tài: “Đo lường tiếp xúc máy CMM” xây dựng tìm hiểu nhóm đo lường máy đo toạ độ (CMM) nói riêng đo lường 3D nói chung Qua báo cáo này, nhóm học hỏi, tìm hiểu, nghiên cứu nhiều lĩnh vực đo lường 3D Bài báo cáo nhóm chúng em gồm chương: Chương 1: Giới thiệu máy CMM Chương 2: Nguyên lý đo kết cấu hệ đo máy CMM Chương 3: Sai số bù sai số đo tiếp xúc CMM Chương 4: Công nghệ thiết kế ngược Chương 5: Ứng dụng máy CMM Trong trình thực tập này, nhóm muốn gửi lời cảm ơn TS Nguyễn Thị Kim Cúc hướng dẫn chúng em nhiệt tình để nhóm hồn thành báo cáo Nhóm sinh viên Nhóm Trang h PHÂN CƠNG CƠNG VIỆC NHÓM STT Người thực Nội dung thực Nguyễn Xuân Hiếu Lời mở đầu Chương 1, Tổng hợp tài liệu, báo cáo Đặng Thanh Nam Chương 2, Tìm hiểu máy tham khảo thơng dụng, phổ biến Đỗ Ngọc Trường Chương 3,5 Vũ Văn Vững Chương 4, Kết luận Trang h MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU PHÂN CƠNG CƠNG VIỆC NHĨM MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU CHƯƠNG 1.1 : GIỚI THIỆU VỀ MÁY CMM Lịch sử phát triển máy CMM 1.1.1 Lịch sử phát triển đo lường 1.1.2 Máy đo tọa độ chiều CMM 14 1.2 Giới thiệu máy CMM 20 1.2.1 Tổng quan máy CMM 20 1.2.2 Phân loại máy CMM 20 1.2.3 Thân máy 21 1.2.4 Đầu đo 22 1.3 Nhận xét 24 CHƯƠNG NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG, KẾT CẤU HỆ ĐO MÁY CMM 27 2.1 Nguyên lý đo toạ độ CMM 27 2.2 Kết cấu hệ đo máy CMM 29 2.2.1 Khung khí 30 2.2.2 Vật liệu kết cấu máy CMM 34 2.2.3 Hệ truyền động máy CMM 35 2.2.4 Bộ chuyển đổi dịch chuyển 39 2.3 Phương pháp đo tiếp xúc máy CMM 42 2.4 Hệ thống đầu đo CMM 42 2.4.1 Phân loại hệ thống đầu đo CMM 42 2.4.2 Thành phần đầu đo tiếp xúc 43 2.4.3 Sai số đầu đo CMM 44 2.5 Vận hành máy CMM 44 2.5.1 An toàn sử dụng máy CMM 44 2.5.2 Kiểm tra vẽ lựa chọn đầu đo 47 2.5.3 Thực đo lưu trữ kết đo 49 2.6 Quy trình thực chương trình đo 51 Trang h 2.6.1 Kiểm định 51 2.6.2 Căn chỉnh 51 2.6.3 Kiểm tra 51 2.6.4 Phân tích 51 2.6.5 Báo cáo 52 2.6.6 Chạy thử 52 2.6.7 Cải thiện chương trình 52  Máy đo 3D CMM CNC Metrology CMM-V564CNC 54 Hình 0.25 Máy đo 3D CMM CNC Metrology CMM-V564CNC 54 CHƯƠNG 3.1 SAI SỐ VÀ BÙ SAI SỐ KHI ĐO TIẾP XÚC BẰNG CMM 57 Sai số độ không đảm bảo đo 57 3.1.1 Độ không đảm bảo đo tiêu chuẩn 57 3.1.2 Độ không đảm bảo đo tổng hợp (UC) 60 3.1.3 Độ không đảm bảo chuẩn mở rộng (U) mức độ tin cậy 64 3.1.4 Tác động độ không đảm bảo đo phép đo 66 3.2 Kiểm sốt mơi trường 67 3.2.1 Kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm 67 3.2.2 Kiểm soát bụi 70 3.2.3 Kiểm soát rung động 70 3.2.4 Kiểm soát tiếng ồn 74 3.3 Bù sai số máy CMM 75 3.3.1 Phân loại kỹ thuật bù sai số 77 3.3.2 Các kỹ thuật bù sai số máy CMM 80 3.3.3 Mơ hình tốn học sai số máy CMM 82 CHƯƠNG CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ NGƯỢC 84 4.1 Thu thập đám mây tọa độ điểm máy đo CMM 84 4.2 Số hóa bề mặt 85 4.3 Xử lý liệu đo lường 86 4.4 Nối lọc liệu 86 4.5 Nội suy làm mịn liệu 87 4.6 Lọc liệu tái tạo bề mặt 87 4.7 Tái tạo lại bề mặt 87 Trang h 4.8 Chế tạo mô hình 88 CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA MÁY CMM 89 KẾT LUẬN 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 Trang h DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU Hình 1 Đo lường mô tả lăng mộ Rekhmire Thebes Hình Cubit hoàng gia Ai Cập Hình Panme năm 1867 11 Hình Hộp mẫu bảo tàng Hoa Kỳ 12 Hình Máy đo Moore số (1957) 13 Hình Máy CMM M48 14 Hình Máy đo toạ độ Ferranti 16 Hình Máy CMM CORDAX (1966) 18 Hình Máy CMM phát triển tập đoàn Mitutoyo 19 Hình 10 Cấu tạo chung máy CMM 21 Hình 11 Một số kết cấu thân máy CMM 22 Hình 12 Phép đo dựa tiếp xúc điểm 23 Hình 13 Đầu cảm ứng đầu dị khơng tiếp xúc 24 Hình 2.1 Nguyên lý đo toạ độ 27 Hình 2.2 Toạ độ máy toạ độ vật 28 Hình 2.3 Kết cấu máy CMM 29 Hình 3.1 Sự khác biệt độ không đảm bảo đo sai số đo 58 Hình 3.2 Giản đồ mô tả không đảm bảo đo ba chiều (3D) toạ độ điểm vùng làm việc CMM 60 Hình 3.3 Ví dụ độ khơng đảm bảo đo CTE thép 61 Hình 3.4 Độ khơng đảm bảo đo tiêu chuẩn kết hợp phân tách thành độ không đảm bảo đo nhiệt độ hệ số độ không đảm bảo đo giãn nở nhiệt phôi thép dài m 64 Hình 3.5 Sơ đồ minh họa phân biệt độ không đảm bảo đo kết hợp mở rộng 65 Hình 3.6 Độ không đảm bảo đo mở rộng (k = 2) giá trị tuyệt đối độ chệch đo giãn nở nhiệt phôi thép dài m dạng hàm nhiệt độ phôi 66 Hình 3.7 Khử rung miếng đệm 72 Hình 3.8 Khử rung lị xo khơng khí 74 Hình 3.9 Bộ ba lị xo khơng khí máy CMM 74 Hình 3.10 Bốn đường chéo CMM 76 Hình 3.11 Giảm sai số sau bù 76 Hình 3.12 Sơ đồ máy giàn có thang kép 78 Hình 3.13 Bù sai số cách sửa đổi lệnh chuyển động 79 Hình 3.14 Bù sai số cho quỹ đạo bàn làm việc 80 Hình 3.15 Sai số có trục 81 Hình 3.16 Hệ tọa độ CMM với cầu di chuyển 83 Hình Hệ thống thu thập đám mây điểm máy CMM 85 Hình Đám mây điểm mô-đun mẫu sau nối số khối 86 Hình Đám mây điểm mơ-đun mẫu 87 Trang h Hình 4 Bề mặt làm mịn 87 Hình Tồn hệ thống chế tạo cho mơ hình 3D 88 Hình Máy CMM sản xuất 89 Hình Đầu dị sử dụng phổ biến khí máy CMM 90 Trang h CHƯƠNG : GIỚI THIỆU VỀ MÁY CMM 1.1 Lịch sử phát triển máy CMM 1.1.1 Lịch sử phát triển đo lường 1.1.1.1 Sự phát triển đo lường văn minh cổ đại Đo lường phát triển từ lâu trước đây, nhiều công trình cổ đại cho thấy phát triển đo lường đạt nhiều thành tựu to lớn Ví dụ bao gồm Vạn Lý Trường Thành Trung Quốc, tảng đá nguyên khối Đảo Phục Sinh, đền người Maya Nam Mỹ Stonehenge Anh Các kim tự tháp Ai Cập kim tự tháp ấn tượng Đại kim tự tháp Cheops (Khufu), xây dựng cách khoảng 4.500 năm, có diện tích 52.000 mét vng chứa khoảng 2.300.000 khối đá có khối lượng trung bình 2.270 kg khối Người ta ước đoán phải 100.000 người đàn ông từ 20 đến 30 năm để hoàn thành kim tự tháp Đây nỗ lực tương tự nỗ lực nhiều năm người để đưa người đàn ông lên mặt trăng Những công cụ xây dựng hạng nặng dành cho người Ai Cập đòn bẩy, lăn dốc đất rộng lớn Khả đo lường người Ai Cập cải tiến nhiều người ta ước tính khác biệt chiều cao góc đối diện kim tự tháp đáy 13 mm (Morse Babcock 2009) Hình 1.1 Đo lường mô tả lăng mộ Rekhmire Thebes Một ghi chép ban đầu phép đo tìm thấy lăng mộ Rekhmire Thebes (Hình 1.1), có niên đại từ kỷ thứ mười lăm trước Công nguyên Đối với người liên quan đến đo lường thủ cơng q trình này, điều thú vị phải lưu ý nhiệm vụ đo họ thực đồng thời với trình làm việc Giải thích Hình 1.1 đơn giản mặt phẳng bên khối làm phẳng sợi dây – điều khó để làm phẳng tồn bề mặt Các sợi dây căng để kiểm tra chỗ nhô cao khỏi bề mặt sau chỗ nhơ loại bỏ đục Trang h 1.1.1.2 Cubit – đơn vị đo Từ thời kì phát triển đo lường, người chọn phận tự nhiên làm sở cho đơn vị đo lường - chiều dài cẳng tay, bàn chân chiều rộng ngón tay Các đơn vị ln có sẵn dễ hiểu Trong số này, cubit trở thành vật liệu sử dụng rộng rãi giới cổ đại Cubit định nghĩa khoảng cách từ khuỷu tay đến cuối ngón tay duỗi Tuy nhiên, chiều dài cánh tay người khơng đồng nhất, người Ai Cập có cho cách giải Hình cho thấy tiêu chuẩn cubit hồng gia Ai Cập Tiêu chuẩn dựa độ dài cẳng tay Pharaoh Amenhotep I (khoảng năm 1550 TCN) Nó dài khoảng 524 mm (Hình 1.2 ) gọi cubit hoàng gia Như minh họa này, tiêu chuẩn chia nhỏ vạch chia khối lập phương thành nhịp, gang tay 24 chữ số Các chữ số chia thành nửa, phần ba, phần tư giảm xuống 16 phần Tổng thể cubit hoàng gia làm đá granit đen đặt giám sát kiến trúc sư hoàng gia Các cubit “làm việc” làm gỗ nhân từ cubit hoàng gia nghệ nhân sử dụng kim tự tháp lớn, lăng mộ đền thờ Hình 1.2 Cubit hồng gia Ai Cập 1.1.1.3 Sự đời dụng cụ đo Bắt nguồn từ điều hướng cách sử dụng vị trí mặt trời, mặt trăng ngơi địi hỏi phải có góc độ chắn xác, William Gascoigne, nhà thiên văn học, phát triển công cụ thiên văn cách sử dụng sợi vít vi sai (Towneley 1666) Gascoigne đo đường kính mặt trời, mặt trăng thiên thể khác phương pháp tam giác Điều địi hỏi phép đo xác đường kính mục tiêu thị kính Trang h Hình 3.13 Bù sai số cách sửa đổi lệnh chuyển động Một cách tiếp cận khác trình bày Hình 3.13 Phần mềm bù lỗi tính toán chuyển động lỗi thành phần X phù hợp với khoảng cách lệnh X Giá trị trừ khỏi giá trị lệnh X Lệnh thực tế gửi đến cấu cấp liệu X X - Lệnh so sánh với phản hồi từ thang đo Thành phần chuyển động dừng lại thang đo hiển thị X X - Tuy nhiên, có chuyển động lỗi X Khoảng cách thực tế mà thành phần di chuyển X Màn hình hiển thị tổng số đọc thang đo chuyển động lỗi X Để bù cho chuyển động lỗi độ thẳng, giá trị lỗi phải gửi đến trục chuyển động khác Tuy nhiên, phương pháp sử dụng để bù cho ảnh hưởng sai số góc Cách tiếp cận đơn giản không gặp phải vấn đề phản ứng động chế phục vụ gây Cách tiếp cận có ứng dụng rộng rãi Các lỗi hiệu chỉnh trước nhập trực tiếp vào phương trình servo để vị trí xác vị trí lệnh giống Điều nhiều người dùng ưa thích (J Bryan, giao tiếp cá nhân 2009) Tính bù lỗi phần mềm sử dụng khơng cho CMM mà cịn cho máy cơng cụ (Hocken 1980; Donmez et al 1986) Chắc chắn máy cơng cụ phải thay đổi vị trí tương đối dao phôi làm cho chi tiết gia cơng có kích thước hình thức xác Với mục đích này, tín hiệu bù gửi đến phần mềm điều khiển thêm vào vị trí lệnh Cách tiếp cận sử dụng cho CMM đề cập Việc bù lỗi phần mềm có hạn chế định ứng dụng Nó chủ yếu áp dụng cho gia công “điểm” đo “điểm”, nghĩa có điểm dụng cụ cắt đầu dị đo, tương tác với phơi trường hợp tiện đo đầu dị kích hoạt cảm ứng Tuy nhiên, trường hợp khoan, thay đổi hướng mũi khoan cách đưa hiệu chỉnh vào vị trí lệnh Trong trường hợp này, tốt sử dụng ổ đĩa servo hiển thị Hình 3.14 Nhiều đầu dị với diện tích cảm biến lớn, ví dụ, máy ảnh thiết bị có khối kết dính (CCD), sử dụng CMM việc bù lỗi phần mềm có hạn chế định loại đầu dị Bàn máy thể Hình 3.14 xoay để có hướng xác Trang 79 h Hình 3.14 Bù sai số cho quỹ đạo bàn làm việc 3.3.2 Các kỹ thuật bù sai số máy CMM a Thiết lập mô hình tốn Để bù lỗi hồn tồn cho CMM, cần biết lỗi đo toàn khối lượng làm việc điều kiện môi trường làm việc khác Tuy nhiên, nhiệm vụ đơn giản khơng tính đến điều kiện môi trường làm việc, lỗi đầu dò phụ kiện gây Đối với máy ba trục tích × × m, yêu cầu biết sai số 50 mm hướng, có 213 = 9261 điểm phân bố dạng lưới ba chiều (3D) cần đo lỗi vectơ điểm 3D Vì vậy, có tổng cộng × 9261 = 27,783 thành phần lỗi Điều không bao gồm hướng tiếp cận (lỗi đảo ngược) Việc hiệu chỉnh máy đo xác tất lỗi công việc lớn Các lỗi thay đổi theo thay đổi môi trường điều kiện làm việc Một cách tiếp cận thực tế thiết lập mơ hình tốn học hợp lý cho CMM Mơ hình tốn học thiết lập mối quan hệ lỗi chức máy lỗi riêng lẻ (hoặc tham số) Các lỗi chức CMM điểm điều kiện mơi trường làm việc khác xác định bù đắp dựa mơ hình tốn học cách biết lỗi riêng lẻ nó, bao gồm lỗi hình học, lỗi nhiệt, v.v Mơ hình tốn học CMM phụ thuộc vào loại máy Mơ hình hình học máy chủ yếu phụ thuộc vào chuyển động có sẵn thành phần máy Theo khía cạnh này, CMM 3D phân loại thành bốn nhóm bản: FXYZ, XFYZ, YXFZ ZYXF (Zhang et al 1988) Trong tên nhóm, chữ trước F thể chuyển động sẵn có phơi khung máy chữ sau F thể chuyển động có sẵn đầu dị khung Cả CMM có cầu di chuyển mơ hình giàn thuộc loại FXYZ, CMM có bàn di chuyển cầu cố định thuộc loại máy XFYZ Các chữ xếp phù hợp với quan hệ trục Ví dụ, giàn CMM thể Hình 12.1, máy kiểu FXYZ, giàn (2) di Trang 80 h chuyển theo hướng x với tham chiếu đến khung máy, cố định Giàn (3) di chuyển theo hướng y so với giàn (2), chuyển động theo hướng x Ram (4) di chuyển theo hướng z liên quan đến dấu xuống (3), di chuyển theo hướng y Đối với CMM có bàn quay, có thêm chuyển động quay R, phôi quay với bàn quay, chữ R phụ phải đặt trước tên loại máy Do đó, tên đầy đủ máy có bàn quay RFXYZ RXFYZ, v.v Các mơ hình toán học nên thiết lập riêng cho loại lỗi khác lỗi hình học lỗi nhiệt Các mơ hình tốn học nên thảo luận riêng cho máy có loại chuyển động khác lỗi chức khác Thảo luận mơ hình tốn học trình bày chi tiết phần sau Hình 3.15 Sai số có trục Để tạo mơ hình, ký hiệu cho lỗi riêng lẻ phải thiết lập Hình 3.15 cho thấy trục tịnh tiến điển hình máy có sáu bậc tự với sáu sai số xảy Đối với máy có ba trục Descartes, có 18 lỗi từ chúng cộng với ba lỗi vng góc trục, tổng cộng 21 b Hiệu chuẩn máy Các yêu cầu hiệu chuẩn máy (1) độ xác, (2) nhận dạng, (3) tính đầy đủ, (4) đánh giá lỗi (5) tính đơn giản Mục đích việc bù lỗi để nâng cao độ xác chức CMM Các lỗi máy đền bù chúng đo xác Nói chung, cần phải hiệu chuẩn máy có độ khơng đảm bảo đo nhỏ 1/5 đến 1/3 sai số ban đầu Nếu khơng, khó đạt hiệu đáng kể Máy phải hiệu chuẩn theo cách hoạt động nó, yêu cầu hình dạng Chỉ trường hợp này, kết hiệu chỉnh đưa lỗi thực chức CMM việc bù lỗi hồn tồn có hiệu Ai biết sai số dịch chuyển đo dọc theo đường khác có giá trị khác hiệu số Abbe chuyển động sai số góc Điểm phát trình hiệu chuẩn Trang 81 h máy phải giống với điểm hoạt động CMM Điểm đỉnh góc hình lập phương P1 điểm phát q trình hiệu chuẩn máy hiệu chuẩn giao thoa kế laze, thể Hình 3.16 Tâm hình cầu đo đầu dị P2 điểm phát trình hoạt động máy Một phần bù đầu Zp = (b-a) phải đưa vào phần bù lỗi Điều tương tự nên nói trường hợp CMM hiệu chuẩn thiết bị tạo tác Tâm hình cầu đo đầu dị P1 phải có vị trí với P2 vận hành máy Nếu không, phần bù đầu chênh lệch vị trí chúng giới thiệu (Lưu ý sai số góc trục ram cần hiệu chỉnh áp dụng cho bù đầu dị để có hiệu chuẩn xác.) Để giảm khơng đảm bảo đo lỗi hệ thống: Trong hầu hết trường hợp, phần bù lỗi không theo thời gian thực sử dụng cho CMM, phần bù bù cho lỗi hệ thống Tuy nhiên, không chắn kèm với sai số hệ thống Để có kết tốt hơn, điều khơng chắn nên giảm bớt Như thực tế phổ biến, lỗi máy móc nên hiệu chuẩn nhiều lần giá trị trung bình chúng phải lấy làm thành phần hệ thống sử dụng để bù lỗi Để chọn khoảng thời gian thích hợp cho hiệu chuẩn lỗi: Về mặt lý thuyết, lỗi máy móc chuyển động sai số định vị, độ thẳng góc phải hiệu chuẩn liên tục Tuy nhiên, thực tế, tất lỗi lấy mẫu khoảng thời gian kín đáo Việc tăng số lượng điểm lấy mẫu làm tăng công việc hiệu chuẩn máy Khi máy hiệu chuẩn số vật định thiết bị đo bước đĩa bi, mật độ điểm lấy mẫu bị hạn chế vật Cần ý đến sai số khoảng thời gian ngắn, chẳng hạn sai số chia nhỏ thang cách tử quang học Nên sử dụng giao thoa kế laser để kiểm tra sai số khoảng thời gian ngắn với mật độ cao (ví dụ, vài micromet) phạm vi nhỏ Chỉ sau xác nhận sai số khoảng thời gian ngắn khơng đáng kể, máy hiệu chuẩn với khoảng thời gian tương đối lớn (ví dụ, vài chục milimét) vật để đảm bảo phép nội suy hai điểm lấy mẫu liền kề không gây sai số đáng kể việc bù trừ 3.3.3 Mơ hình tốn học sai số máy CMM Nhiệm vụ mơ hình hình học xác định mối quan hệ toán học sai số thể tích cuối máy thành phần riêng lẻ Để đơn giản hóa tốn học, thơng thường số giả định đưa Các giả định đơn giản hóa mối quan hệ có mối quan hệ toán học gần với mối quan hệ máy thực Mơ hình thân cứng mơ hình đơn giản tất phận máy coi thân cứng Mơ hình thể bán cứng giả định bàn máy đầu thăm dò (và hệ tọa độ tương ứng chúng) cứng Đối với CMM Hình 3.16, chùm tia (3) có độ lệch đáng kể Nếu biến dạng biểu thị dạng hàm đối số nhất, biến dạng dầm (3) có ảnh hưởng với sai số độ thẳng dầm cứng tuyệt đối CMM hoạt động giống quan Trang 82 h cứng nhắc Nên bắt đầu thảo luận với loại máy cụ thể, CMM cầu chuyển động sử dụng phổ biến thuộc loại FXYZ Hình 3.16 Hệ tọa độ CMM với cầu di chuyển (1) bàn ; (2) thang x; (3) cầu chuyển động; (4) thang đo y; (5) vận chuyển; (6) thang đo z (Được vẽ lại từ Zhang cộng sự, Ann CIRP, 34 (1): 445, 1985.) Hình 3.14 cho thấy máy có chứa thành phần thân máy, bảng (1) ba thành phần chuyển động: cầu (3), toa (5) ram (7) Cần có bốn hệ tọa độ độc lập để mơ tả hệ thống Đó hệ thống bàn OXYZ, hệ thống cầu O1X1Y1Z1, hệ thống vận chuyển O2X2Y2Z2 hệ thống ram O3X3Y3Z3 Tất phận máy, cố định với khơng có chuyển động tương đối, coi phận Đối với mục đích khái niệm, hệ thống cầu O1X1Y1Z1 hệ thống vận chuyển O2X2Y2Z2, thể Hình 3.14, gắn với cầu (3) vận chuyển (5), tương ứng thông qua kết nối nhỏ không tồn để hỗ trợ hình dung Hệ thống O3X3Y3Z3 gắn vào ram (7) Giả thiết vị trí bắt đầu, tất bốn điểm gốc trùng trục bốn hệ thống thẳng hàng Trang 83 h CHƯƠNG CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ NGƯỢC Chương tham khảo từ nguồn: “Application of reverse engineering technology in constructing prototype surface” Dong-man Yua, Xiao-jing Lib, Yi Xiongc, Zhi-hua Gaod 2010-10-25 Chế tạo sản phẩm dẫn đầu xu với chi phí thấp thời gian ngắn vấn đề cốt yếu mà doanh nghiệp phải đối mặt hoàn cảnh thị trường cạnh tranh, kỹ thuật thiết ngược đóng vai trò quan trọng việc thúc đẩy phát triển sản phẩm mượn lý tưởng lạ từ nhà sản xuất khác Trái ngược với phương pháp thiết kế truyền thống, công nghệ thiết kế ngược (Reverse engineering - RE) sử dụng thiết bị đo lường đặc biệt để lấy liệu kích thước Sau xây dựng mơ hình điểm với liệu đo lường, việc phân tích, sửa đổi, xác minh chế tạo chi tiết thực sau Ngồi ra, công nghệ RE tạo mẫu nhanh (rapid prototyping- RP) kết hợp, công nghệ sản xuất cụ thể, quy trình tạo vật mẫu in 3D (khác với công nghệ tạo gia công cắt gọt trước đây), chế tạo thử nghiệm, cải tiến nhanh chóng đánh giá, sửa đổi mẫu thử Hệ thống RP tạo lộ trình làm việc từ liệu tiêu chuẩn mơ hình STL chia lưới từ mơ hình RE Tuy nhiên, cấu trúc đặc biệt mơ hình liên kết phức tạp, hầu hết trường hợp, có liệu bề mặt đầy đủ nguyên mẫu điều dễ dàng cần thực quy trình xử lý liệu 4.1 Thu thập đám mây tọa độ điểm máy đo CMM Bước cơng nghệ thiết kế ngược có liệu đám mây điểm đầy đủ Kỹ thuật đo chia thành loại phù hợp với tính ứng dụng nó, phương pháp đo tiếp xúc, đo không tiếp xúc phương pháp quét lớp tương ứng Phép đo khơng tiếp xúc quét bề mặt với tốc độ cao tránh bù bán kính đầu dị, sử dụng rộng rãi phát công nghiệp Phương pháp quét lớp, phát triển với công nghệ quang điện thao tác đồ thị, giải vấn đề này, có độ xác cao đo nhanh cấu trúc bên Độ xác phép đo tiếp xúc xác đáng tin cậy, công cụ phổ biến sử dụng để đo bề mặt máy CMM với ưu điểm thiết bị đơn giản dễ sử dụng Trong q trình nghiên cứu, mơ-đun mẫu cá chọn làm đối tượng nghiên cứu sử dụng để thu thập liệu bề mặt Hình 4.1 cho thấy toàn thiết bị hệ thống thu nhận đám mây điểm, thuộc phương pháp đo tiếp xúc Máy CMM quét toàn bề mặt từ điểm tới điểm khác đầu tiếp xúc, cụ thể cách quét theo trục X trục Y Dữ liệu quét cao độ điểm phôi chế độ quét lưu lại Độ xác quét đạt 0,03 đường dịch chuyển, độ xác cục đạt 0,1 mm mét Trang 84 h Hình 4.1 Hệ thống thu thập đám mây điểm máy CMM 4.2 Số hóa bề mặt Có hai quy trình qt thường sử dụng cho RP, tương ứng quét ngang quét dọc Lập hành trình đường đo liên quan đến việc xác định vị trí điểm bề mặt, hướng vectơ thăm dị đường khơng có va chạm Để đạt đám mây điểm tốt nhất, quan trọng phải hành trình đường dẫn đo lường hợp lý Trong mẫu đo này, bề mặt quan trọng số bề mặt dạng tự do, ví dụ bề mặt gián đoạn bề mặt chuyển tiếp Lựa chọn hướng đầu dò bước quan trọng hệ thống này, hướng đầu dị khơng phù hợp làm cho điểm tiếp cận trở nên khơng thể tiếp cận Chúng ta điều chỉnh CMM tư khác nhau, đồng thời, giảm kích thước bước để thu nhiều điểm bề mặt dạng tự Đám mây điểm thu từ việc quét bề mặt mẫu thiết bị đầu dò tiếp xúc thể Hình 4.2 (a) Trong hình này, số vùng khơng định dạng đám mây điểm vây đuôi phải xử lý sau Một số điểm liệu nên tạo vị trí khác bề mặt đánh dấu chúng trước đo Ví dụ, tám điểm đánh dấu, dùng làm mục, phân bố khu vực khác thể Hình 4.2 (b) Khi phận di chuyển đến vị trí khác để đo tính năng, ba điểm liệu phải đo lại cho chuyển động vị trí Tái tạo bề mặt bước thiếu kỹ thuật đảo ngược, điều việc gia công cần lưới tam giác tạo mơ hình bề mặt nhẵn đám mây điểm tốt Kết trình truy vết học chuỗi điểm cấu trúc với số lượng lớn điểm cấu trúc đường Dữ liệu đầu thiết bị quang học giá trị tọa độ tâm đầu dò vectơ pháp tuyến theo hướng X, Y Z vị trí điểm bề mặt Ngoài ra, định dạng đầu liệu đo lường không phù hợp với nhu cầu tạo mô hình CAD Do phải xử lý liệu đo lường Trang 85 h Hình 4.2 Đám mây điểm mô-đun mẫu sau nối số khối (a) đám mây điểm ban đầu tạo thành từ số khối liệu (b) đám mây điểm gốc với điểm đánh dấu 4.3 Xử lý liệu đo lường Các điểm đo thích hợp làm tăng độ xác bề mặt giảm độ lệch mơ hình ngun mẫu Tuy nhiên, nhiều nhiễu trộn lẫn đám mây điểm tạo lỗi thơ Dữ liệu ngun mẫu chứa số lỗi yếu tố người yếu tố nâng cao gây ra, đặc biệt điểm cạnh điểm biên sắc nét Việc xây dựng bề mặt có sai sót điểm khơng tốt dẫn đến lệch bề mặt can thiệp vào cấu trúc, chí dẫn đến hỏng bề mặt phù hợp Do đó, liệu thu từ mơ hình vật lý cần xử lý trước giai đoạn mơ hình hóa Việc xử lý liệu bao gồm loại bỏ nhiễu, bù bán kính, nối liệu, lấy mẫu lại liệu xử lý ranh giới liệu Nói chung, quy trình liệu cho mơ hình vật lý diện tích lớn thành mỏng phải thực bước sau 4.4 Nối lọc liệu Trong hầu hết trường hợp, trình sản xuất phức tạp mô tả bề mặt, nên cấu thành số bề mặt Do đó, liệu đo nên chia thành khối theo khả bao phủ xây dựng khối thành mơ hình bề mặt Các mơ hình bề mặt nên chuyển đổi chỉnh hệ tọa độ Từ Hình 4.2 (a), thấy bốn khối liệu nối với để tạo thành toàn liệu, vùng màu đậm chồng lên hai ba vùng Ba loại phương pháp phân chia liệu sử dụng phổ biến, dựa cạnh, dựa bề mặt dựa cạnh & bề mặt, tương ứng Nhiễu thành phần hình ảnh bề mặt đặc biệt phổ biến nguyên mẫu dày đặc Trong q trình số hóa sản phẩm, số lượng nhiễu tạo lỗi đo lường lỗi vận hành Vì lý giảm loại bỏ nhiễu ảnh hưởng đến mơ hình, điểm nhiễu chọn loại bỏ Trong nghiên cứu này, kiểm tra trực quan miền không gian phương pháp phổ biến sử dụng để loại bỏ nhiễu Nhiễu làm gián đoạn ranh giới, dẫn đến bề mặt chưa hồn thiện q trình tái tạo 3D thường gồ ghề Tuy nhiên, gia tăng khả khử nhiễu xóa số điểm cần dùng, chí đơi dẫn đến bề mặt bị rỗ, minh họa Hình 4.3 (a) Trang 86 h Hình 4.3 Đám mây điểm mô-đun mẫu (a) sau loại bỏ nhiễu (bề mặt bị rỗ loại bỏ nhiễu); (b) sau nội suy liệu 4.5 Nội suy làm mịn liệu Phương pháp nội suy liệu sử dụng để lấp đầy liệu trống cho số khu vực đo trực tiếp Hai loại mơ hình hóa bề mặt cần tính đến, mơ hình hóa ngược bề mặt dựa điểm & đường, loại khác phù hợp bề mặt dựa điểm Đám mây điểm mẫu với phép nội suy liệu thể Hình 4.3 (b) Từ hình vẽ, thấy số bề mặt bị rỗ làm đầy lại Mục đích việc làm mịn liệu xóa điểm đáy điểm đỉnh phân phối ngẫu nhiên dọc theo ranh giới Với công nghệ làm mịn liệu, có kết trích xuất tính tốt thiết lập mơ hình xác 4.6 Lọc liệu tái tạo bề mặt Cơng nghệ lọc liệu cải thiện độ xác bề mặt Lấy trung bình vùng lân cận lọc trung vị phương pháp phổ biến sử dụng để loại bỏ nhiễu, phương pháp trước làm mịn tín hiệu phương pháp sau loại bỏ nhiễu Thử nghiệm xác nhận tính khả thi việc lọc liệu dụng cụ đo lường tốt Mơ hình 3D mẫu sau làm mịn lọc liệu thể Hình 4.4 (a) Hình 4.4 Bề mặt làm mịn 4.7 Tái tạo lại bề mặt Một mơ hình 3D phức tạp hình thành nhiều bề mặt đơn giản tính Sau số hóa mơ hình loạt bước xử lý, nhận nhiều điểm phân kỳ khơng gian phân bố ngẫu nhiên Tuy nhiên, liệu cần sửa đổi sửa chữa thêm để có kết tốt Từ Hình 4.4 (b), thấy Trang 87 h mơ hình 3D mẫu sau tái tạo bề mặt, số điểm xấu điểm chồng chéo cải thiện 4.8 Chế tạo mơ hình Sau xây dựng mơ hình, mơ hình 3D chuyển đổi thành mã đặc biệt, định dạng STL, đạt tiêu chuẩn công nghiệp Trong q trình biên dịch, mơ hình STL tùy biến theo hướng đặc biệt tạo cách liên kết lớp vỏ bên ngồi mơ hình CAD Với trợ giúp cơng nghệ RP, sản xuất sản phẩm với mơ hình 3D tiêu chuẩn nhanh chóng đánh giá sửa đổi sản xuất với thời gian làm việc ngắn Chọn máy in thạch (SLA) làm thiết bị tạo mẫu nhanh để chế tạo mô hình Tồn thiết bị hệ thống SLA thể Hình 4.5 Hình 4.5 Tồn hệ thống chế tạo cho mơ hình 3D (a) hệ thống tạo mẫu nhanh (b) hệ thống tạo hình 3D Trang 88 h CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA MÁY CMM Máy đo tọa độ (CMM) công cụ đo lường đáng kinh ngạc tuyệt vời để định lượng thuộc tính tốn học vững chi tiết gia cơng CMM sử dụng rộng rãi việc lắp ráp CMM sử dụng bố cục Một mô hình phát triển việc kiểm tra kích thước chi tiết gia công chế tạo việc sử dụng số hóa laser khơng tiếp xúc thay đầu dị tiếp xúc Máy số hóa laser đề xuất lợi ích việc khơng có lực phân tán tiếp xúc tốc độ phân loại liệu lên đến hàng triệu tiêu điểm giây Hình Máy CMM sản xuất Máy đo tọa độ (CMM) cơng cụ hữu ích phổ biến để đo hình dạng tự ngành công nghiệp Theo ISO 10360-1, máy đo tọa độ đặc trưng hệ thống đo lường Bao gồm việc di chuyển hệ thống thăm dò khả định vị trí cấu trúc (tọa độ) bề mặt chi tiết CMM thường sử dụng để ước tính kích thước, cấu trúc tọa độ ba chiều đối tượng tạo Trong trường hợp, lỗi đo CMM xảy có sai số tọa độ tương đối tiêu điểm đo tiêu điểm thăm dò Lỗi ảnh hưởng đến phần xác ngẫu nhiên CMM Nó ảnh hưởng trực tiếp đến tiêu chuẩn lắp ráp Đầu dị kích hoạt cảm ứng có trỏ (bút cảm ứng) kết nối với chịu lực, sau liên kết với cảm biến áp suất bên vỏ đầu dò Mỗi đầu dò chạm vào chi tiết gia cơng, tạo tín hiệu điện Tín hiệu gửi trở lại CMM Trang 89 h để đưa ước tính xác Một kiểm tra cảm ứng khác có cảm biến nguồn ba độ hội giới thiệu Trong số kết nối liên kết vectơ lực tiếp xúc có trạng thái đồ họa đầu dị, hình dung hướng tiêu điểm tiếp xúc ví dụ đầu dị cụ thể Trong thực nghiệm mơ hình đầu dị áp dụng để đo tọa độ điểm tiếp xúc đo hành trình trước Với hệ thống thăm dò đề xuất, sai số đo bắt đầu không xác định điểm tiếp xúc đầu dò-mẫu việc di chuyển trước đánh giá bù đắp cách hiệu Hình Đầu dị sử dụng phổ biến khí máy CMM Ngồi CMM sử dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp, với ứng dụng khác đa dạng:  Kiểm tra chất lượng, đồ tạo hình sản xuất máy bay, phương tiện hàng không  Kiểm tra chất lượng, đồ tạo hình sản xuất tơ  Kiểm tra chất lượng, đồ tạo hình sản xuất thiết bị điện tử Trang 90 h  Kiểm tra chất lượng, đồ tạo hình ngành lượng  Kiểm tra chất lượng, đồ tạo hình sản xuất thiết bị y tế Kiểm tra chất lượng, đồ tạo hình ngành sản xuất khác Trang 91 h KẾT LUẬN CMM thiết bị đo hình dạng kích thước vật lý vật thể đầu dò tiếp xúc gián tiếp trực tiếp lên bề mặt vật thể Hiện thị trường có nhiều loại đầu dị khác nhau, sử dụng tùy thuộc vào kích thước đặc điểm vật thể như: đầu chạm, đầu đo quang học, máy quét laze, đầu đo camera hệ thống ánh sáng Điều đặc biệt máy CMM cấu tạo nguyên lý hoạt động đầu dị, di chuyển hệ trục X, Y, Z – tức hệ trục 3D (nhiều máy trang bị trục quay), ngồi đầu dị đa dạng giúp đo phần bề mặt mà đầu chạm tiếp xúc Máy CMM thường sử dụng nhiều trình kiểm tra chất lượng sản phẩm việc đo đạc kích thước chiều dài, chiều rộng, đo kiểm mẫu, lược đồ góc, hướng chiều sâu Bên cạnh đó, máy tạo thuận lợi cho phân đoạn đo chép mẫu tạo hình trình sản xuất Bằng việc áp dụng máy đo 3D, việc nâng cao độ xác cho phận sản phẩm cuối cùng, công đoạn kiểm tra rút ngắn từ gia tăng sản lượng suất cho nhà máy mà đảm bảo chất lượng sản phẩm Trang 92 h TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Robert J Hocken, Paulo H Pereira “Coordinate Measuring Machines and Systems, Second Edition.” [2] Slide Kỹ thuật đo lường 3D [3] Giáo trình mơn Đo lường tự động [4] Manual & Catalog máy CMM CRYSTA-Apex S [5] https://tinhha.com.vn/may-do-toa-do-cmm-la-gi/ [6] https://carmar-tech.com.vn/may-do-cmm-la-gi-nd48525.html [7] http://cokhithanhduy.com/tim-hieu-ve-may-do-toa-do-cmm/ [8] EDP Sciences 2014 - New developments in coordinate measuring machines for manufacturing industries [9]https://www.researchgate.net/publication/349945126_A_Study_on_Application_of_Coordi nate_Measuring_Machine_in_Flexural_Manufacturing_System [10] https://www.scientific.net/AMM.34-35.1154 [11] Dong-man Yua, Xiao-jing Lib, Yi Xiongc, Zhi-hua Gaod “Application of reverse engineering technology in constructing prototype surface” 2010-10-25 Trang 93 h