NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TAY ĐO TỌA ĐỘ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TAY ĐO TỌA ĐỘ Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ Sinh viên thực hiện: TẠ VĂN CHÍNH - 06520047 LÊ QUANG TRỰC - 06520513 Lớp : KTMT01 Khoá : 2010 - 2014 TP. Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2015 MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH ẢNH Trang 4 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TAY ĐO TỌA ĐỘ Ngày nay, để sản phẩm có sức cạnh tranh trên thị trường thế giới cũng như trong nước thì quy trình sản xuất phải đảm bảo được độ chính xác, mẫu mã phải đa dạng và thay đổi liên tục, giá thành chế tạo, đo lường và kiểm tra phải thấp… Sự xuất hiện các dòng máy CNC trong gia công cơ khí đã tạo nên đột phá đem đến khả năng tự chế tạo trong nước các sản phẩm có hình dạng phức tạp trong thời gian ngắn, là điều quyết định cho việc thay đổi mẫu mã. Tuy nhiên, dù việc gia công bằng máy thường hay máy CNC thì thao tác đo và kiểm tra tra kích thước hình học là không thể tránh khỏi, các chi tiết càng phức tạp thì càng khó khăn. Vì vậy, chúng ta rất cần các thiết bị xác định chính xác tọa độ trên bề mặt chi tiết đi kèm với máy CNC. Thiết bị này có thể xác định chính xác tọa độ của điểm trên bề mặt chi tiết đo ngoài việc dùng trong đo lường, kiểm tra chất lượng sản phẩm của các bề mặt phức tạp một cách linh hoạt, còn có khả năng mô phỏng tái tạo lại các vật thể tự nhiên và chứa đựng những dữ liệu theo những tập tin đồ họa CAD. Việc đo lường, đặc biệt là đo lường kích thước, ngày càng trở nên quan trọng trong quá trình sản xuất công nghiệp. Khả năng nâng cao chất lượng sản phẩm và cải tiến các quá trình sản xuất phụ thuộc vào chất lượng của các thiết bị đo lường. Hiện nay ta có thể khẳng định rằng trình độ đo lường trong quá trình sản xuất chế tạo thể hiện năng lực và tiềm năng phát triển của ngành công nghiệp một quốc gia. Các mục tiêu chính của kĩ thuật đo kích thước hiện đại là: Độ chính xác cao; Khả năng hiệu chỉnh (calibration) đáng tin cậy; Có khả năng tích hợp vào hệ thống sản xuất chung. Để có thể đạt được những mục tiêu trên đòi hỏi cần phải có những thiết bị đo lường hiện đại, chính xác và hiệu quả, đồng thời phải nghiên cứu và phát triển những kĩ thuật đo lường tiến bộ hơn. Một trong những kĩ thuật mới nhất hiện nay, được xem như là tác nhân thúc đẩy sự phát triển vượt bậc của kĩ thuật đo lường, là kĩ thuật đo tọa độ (Coordinate Measuring Technique) được áp dụng trong các máy đo tọa độ. GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính Lê Quang Trực Trang 5 Hình 1. 1 CMM kích thước trung bình Nhưng những thiết bị đo tọa độ có độ chính xác cao nhưng giá thành đắt khi đo và kiểm tra chi tiết phải có những đồ gá chuyên dụng. Từ đây phát sinh ra nhu cầu phát triển ra một loại máy có chức năng giống với máy đo tọa độ nhưng có độ linh hoạt cao hơn, góp phần khắc phục những hạn chế của máy CMM. Đến thập niên 70, với mẫu phát minh đầu tiên 18/4/1974, có số hiệu 3,994,798 với tay đo có đầu dò vật có biên dạng ống, do ông Homer Eaten phát minh. Hình 1. 2 Mẫu tay đo đầu tiên Những năm gần đây, trên thế giới đã phát triển và ứng dụng những thiết bị đo tọa độ dạng tay máy để đáp ứng cho những nhu cầu đo trên mà không cần đồ gá phức tạp, vẫn đảm bảo được độ chính xác. Tay đo được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: công nghiệp ô tô, xe máy, thiết kế phát triển sản phẩm, y sinh học, khảo cổ học, thiết kế ngược… GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính Lê Quang Trực Trang 6 Hiện nay trên thế giới có nhiều nhà sản xuất máy tay đo nhưng lớn nhất là hai hãng FARO và ROMER . Ngoài ra còn một số hãng khác như: Immersion; TRIMAQS; ScanWorks; Metris; Mitutoyo… 1.1 Chức năng của tay đo tọa độ Tay đo tọa độ chính là sản phẩm lai giữa một máy đo tọa độ và tay máy, nhưng nó khác với máy CMM cũng như tay máy ở chỗ, tại mỗi khớp của tay đo người ta không cài đặt các động cơ được điều khiển để dịch chuyển đầu dò đến vị trí cần đo, ngược lại với tay đo người ta dùng tay để quay các khớp nhằm dịch chuyển đầu dò của tay đo đến vị trí mong muốn. Đầu dò dược sử dụng ở tay đo tương ứng với phương pháp đo tiếp xúc, việc lựa chọn đầu dò tùy thuộc vào biên dạng ngoài của vật thể, với mục tiêu đạt được được độ chính xác cao hơn trong phép đo. Ngoài ra người ta còn sử dụng phương pháp đo không tiếp xúc bằng cách gắn các máy quét laser ở khâu cuối của tay đo. Với phương pháp đo không tiếp xúc phép đo có độ chính xác cao hơn. Tay đo tọa độ xác định dữ liệu về tọa độ của điểm trên biên dạng vật đo thông qua việc xác định giá trị các góc xoay tại mỗi khớp, sau đó tọa độ được tính thông qua bài toán động học thuận. Dữ liệu về tọa độ điểm sau khi được tính toán được gửi về máy tính. Máy tính sẽ thực hiện nhiệm vụ xử lý dữ liệu, cụ thể ở đây máy tính sẽ làm nhiệm vụ liên kết các điểm nhận được thành đám mây điểm, hoặc một đối tượng đồ họa khác như các mặt (surface) hoặc các khối rắn (solid). Giống với một máy CMM tay đo tọa độ cho ra mô hình 3D sau khi quét vật mẫu cụ thể, nhờ vào khả năng liên kết với các phần mềm CAD, CAM và tạo mô hình 3D phổ biến như sau: Tạo mô hình 3D / hoạt họa: 3ds max, LightWave 3D, AutodeskVIZ,… Phần mềm CAD/ CAM: SolidWorks, Pro/ENGINEER,AutoCAD, Mastercam,… Với khả năng liên kết với phần mềm CAD, CAM đã giúp người sử dụng ngày càng dễ dàng sử dụng, đồng thời việc này gắn kết các nhà sản xuất lại gần nhau hơn. GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính Lê Quang Trực Trang 7 1.2 Ứng dụng của tay đo tọa độ Hình 1. 3 Tay đo dùng để số hóa khung sườn chi tiết mẫu và thiết kế ngược Hình 1. 4 Dùng tay đo để xây dựng bề mặt từ các mô hình 1.2.1 Ưu điểm của Tay đo - Gọn nhẹ, cơ động, dễ dàng di chuyển. - Giá thành phù hợp. - Kết cấu cơ khí linh hoạt giúp đầu dò tiếp cận với bề mặt có biên dạng phức tạp như các đường rãnh, các lỗ nhỏ có đường trục không vuông góc với bề mặt vật đo dễ dàng, không yêu cầu gá đặt chuyên dụng. Đây là ưu điểm của Tay Đo so với các máy CMM. 1.2.2 Nhược điểm của Tay đo - Vùng hoạt động giới hạn, có những vùng không với tới được - Độ chính xác không cao do đặc thù kết cấu. GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính Lê Quang Trực Trang 8 - Tăng độ chính xác và vùng hoạt động sẽ làm tăng đáng kể giá thành. - Không có chức năng tự động kiểm tra hàng loạt như các máy CMM. Ngoài ra, việc phát triển công nghệ cao tích hợp cho các tay đo nhằm khắc phục những nhược điểm cũng như phát huy lợi thế của tay đo đang được nghiên cứu và phát triển. - Tay đo tích hợp hệ thống quét bằng laser. - Tay đo có hệ thống đầu dò dùng cảm biến. Hiện nay trên thế giới các nước như: Nhật, Đài Loan, Đức, Mĩ …đã áp dụng các thiết bị này rộng rãi trong công nghiệp thiết kế, chế tạo và đo lường (thiết kế ngược, phát triển kiểu dáng sản phẩm v.v…) và đem lại hiệu quả kinh tế cao. 1.3 Một số sản phẩm trên thị trường MICROSCRIBE: (Nguồn:http://www.3d-microscribe.com) sử dụng phương pháp tiếp xúc. Tên thiết bị Tầm hoạt động Độ chính xác Giá thành MicroScribe G2 127 cm 0.38 mm $ 4,495 MicroScribe G2X 127 cm 0.23 mm $ 5,995 MicroScribe G2L 167 cm 0.43 mm $ 5,995 MicroScribe G2LX 168 cm 0.30 mm $ 6,495 Bảng 1. 1 Bảng giá một số thieert bị tay đo trên thị trường FARO: (Nguồn: http://www.dirdim.com/prod_digitizers.htm) sử dụng cảm biến bằng laser theo phương pháp không tiếp xúc cho ra độ chính xác cao. GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính Lê Quang Trực Trang 9 Hình 1. 5 Tay đo của Microscribe (trái) và FARO (Phải) Ngoài ra còn một số hãng khác như: TRIMAQS, ScanWorks, Metris, Mitutoyo, ROMER Hình 1. 6 Tay đo của hãng Faro có sử dụng súng laser Ở nước ta đã bắt đầu áp dụng thiết bị này, song hầu hết các doanh nghiệp phải mua thiết bị đo của nước ngoài với chi phí giá thành cao. Vì vậy việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo tay đo là hết sức cần thiết. GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính Lê Quang Trực Bề mặt đo Cảm biến đo góc Mạch đọc n hiệuMáy nh ếp nhận, xử lý và hiển thị kết quả Trang 10 Chương 2: NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA TAY ĐO 2.1 Nguyên lí làm việc của thiết bị Tín hiệu góc quay được nhận biết từ cảm biến và lưu trữ vào bộ nhớ máy tính. Khi nào đầu dò tiếp xúc với chi tiết thì các dữ liệu góc này được tính toán và xác định tọa độ điểm đo trong tọa độ Đề Các. Từ các tọa độ đã tính toán trên được phần mềm đồ họa vẽ lại trên màn hình máy tính. Sơ đồ nguyên lý như hình vẽ dưới đây : Hình 2. 1 Sơ đồ nguyên lí. Cấu tạo thiết bị gồm 3 khối cơ bản: • Khối cơ khí • Khối mạch điện • Khối phần mềm. 2.2 Kết cấu tay đo. 2.2.1 Phân tích và lựa chọn dạng tay đo (các kiểu bố trí các khớp xoay). Giới thiệu một số dạng tay đo: • Thiết bị đo tay máy dạng trụ GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính Lê Quang Trực [...]... khớp nối thứ nhất là trục gốc và trục của 2 khớp nối còn lại thì song song với nhau Sơ đồ động của thiết bị này mô phỏng theo cánh tay người, khớp nối thứ 2 được gọi là khớp nối bả vai và khớp nối thứ 3 được gọi là khớp nối khuỷu tay Hình 2 5 Thiết bị đo tay máy dạng người Ưu điểm của thiết bị đo tọa độ dạng tay máy là khả nằng di chuyển đầu dò linh hoạt, nhưng thiết bị có độ chính xác không cao Cùng... kiểu tay đo, nhóm nghiên cứu chọn kiểu thiết kế 2-1-2 vì nó cho phép đo cũng như lấy biên dạng một vật bất kỳ, có thể giúp giảm kích thước của tay đo, đồng thời làm giảm được chi phí chế GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính Lê Quang Trực Trang 14 tạo Ngoài ra vì nhận thấy rằng với cánh tay 5 bậc tự do đủ điều kiện để xác định vì trí và hướng của vật thể trong không gian Hình 2 7 Tay đo có kết... trong các quy tắc cho phép thiết lập hệ tọa độ trên các cặp khâu-khớp trên tay đo tọa độ là quy tắc Denavit-Hartenberg(DH).Dựa trên hệ tọa độ này chúng ta có thể mô tả các cặp bằng hệ thống các tham số, biến khớp và áp dụng một dạng phương trình tổng quát cho bài toán động lực học tay máy Quy tắc DH xác định như sau: • • • Hệ tọa độ được gắn lên các khâu khớp như sau: Đặt trục tọa độ zi dọc theo trục của... Cột thứ nhất của kết quả: Cột thứ hai của kết quả: Cột thứ ba của kết quả: Cột thứ tư của kết quả: GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính Lê Quang Trực Trang 18 Với tọa độ tiếp điểm đầu dò được đặt ngay tại gốc tọa độ của hệ trục thứ 5, nên kết quả của cột thứ tư cũng chính là tọa độ của điềm tiếp xúc của đầu dò so với hệ tọa độ gốc hay hệ tọa độ thứ không Từ bảng thông số DH và ma trận chuyển... phần công tác Hình 2 6: Một số kết cấu tay đo Các thiết kế đều phỏng theo cánh tay con người, do vậy trong các thiết kế người ta cũng phân chức năng các khớp tương ứng với các khớp của cánh tay con người Với loại kết cấu này, tay đo có thể cho phép đầu dò chạm tới những vùng khó chạm tới Với kiểu tay có 2 bậc tự do ở khớp vai 1 bậc tự do ở khớp khuỷu và 3 bậc tự do ở khớp cổ tay, lại có một lợi thế khác... cho hệ quy chiếu Oi-1 trùng với hệ quy chiếu Oi Đối với cánh tay đo trên do có 6 hệ tọa độ được thiết lập nên sẽ có các chuyển đổi hệ tọa độ như sau:O0x0y0z0 ->O1x1y1z1 ->O2x2y2z2 ->O3x3y3z3 ->O4x4y4z4->O5x5y5z5 Phép chuyển đổi các hệ tọa độ thực chất là sự kết hợp của phép tịnh tiến và phép quay.Mỗi mỗi chuyển đổi từ hệ tọa độ này qua hệ tọa độ khác chúng ta có một ma trận chuyển đổi = GVHD: PGS.TS Thái... không gian làm việc có dạng hình cầu Hình 2 3 Thiết bị đo tay máy dạng cầu • Thiết bị đo tay máy dạng SCARA Loại thiết bị này có 2 khớp nối xoay và 1 khớp nối trụ, các trục của khớp nối song song với nhau GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính Lê Quang Trực Trang 12 Hình 2 4 Thiết bị đo tay máy dạng SCARA • Thiết bị đo tay máy dạng người Loại tay máy hình dạng người (Scriber) có 3 khớp nối... động ứng với mỗi bậc tự do Cấu trúc cơ khí dạng này có độ cứng vững tốt Vùng làm việc của dạng này là hình vành khăn Hình 2 2 Thiết bị đo tay máy dạng trụ • Thiết bị đo tay máy dạng cầu Loại này khác với loại cầu là khớp nối thứ 2 được thay thế bằng khớp nối xoay trong hệ tọa độ cầu, mỗi chuyển động của mỗi khớp tương ứng với một bậc tự do Đối với loại này độ cững vững thấp hơn loại dạng cầu trên và. .. tắc Denavit-Hartenberg Để định vị và định hướng từng khâu trên cánh tay đo cũng như khâu tác động sau cùng chúng ta phải gắn các hệ tọa độ suy rộng lên từng khâu, cả cơ cấu có một hệ quy chiếu chung nối với giá cố định, hệ quy chiếu này có chức năng vừa để mô tả định vị, định hướng khâu tác động sau cùng của cánh tay đo, vừa để mô tả đối tượng tác động của cánh tay đo mà nó cần nhận diện Việc xây dựng... khớp quay Về mặt mỹ thuật với cánh tay mà các khớp quay sẽ trở nên đẹp hơn và gần gũi với con người nhất Nhìn chung các mẫu tay đo hiện nay trên thị trường người ta cũng sử dụng tay đo có kiểu giống người 2.3 Sơ đồ động (các kiểu bố trí các khớp xoay) Trong đại đa số các trường hợp, tay đo tọa độ là một chuỗi động học hở được cấu tạo bởi một số các khâu(Links),được nối với nhau nhờ các khớp.Một đầu của