Nghiên cứu thiết kế công cụ quét 3d sử dụng cảm biến đo dịch chuyển laser phục vụ thiết kế ngược

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM TRUNG HẢI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÔNG CỤ QUÉT 3D SỬ DỤNG CẢM BIẾN ĐO DỊCH CHUYỂN LASER PHỤC VỤ THIẾT KẾ NGƯỢC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ KHÍ HÀ NỘI - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM TRUNG HẢI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÔNG CỤ QUÉT 3D SỬ DỤNG CẢM BIẾN ĐO DỊCH CHUYỂN LASER PHỤC VỤ THIẾT KẾ NGƯỢC Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã đề tài: CTM13B-16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS: Nguyễn Huy Ninh HÀ NỘI - 2016 Nghiên cứu thiết kế công cụ quét 3D sử dụng cảm biến đo dịch chuyển LASER phục vụ thiết kế ngược Môc lục Lời cảm ơn Lêi cam ®oan DANH MụC CáC Ký HIệU Và Từ VIếT TắT DANH MụC CáC h×nh vÏ DANH MụC CáC bảng biểu 10 Mở đầu 11 Chơng : Tổng quan công nghệ thiết kế ngợc.13 1.1 Khái niệm ứng dụng công nghệ thiết kế ngợc 13 1.2 Quy trình công nghệ thiết kế ngợc 19 1.3 Thiết bị số hóa sản phẩm công nghệ thiết kế ngợc 21 1.3.1 Lịch sử đời phát triển .21 1.3.2 Phân loại máy CMM 24 1.3.3 Cấu tạo máy CMM 32 1.4 Xư lý d÷ liƯu sau quÐt mÉu 34 Chơng : thiết kế công cụ quét 3d sử dụng cảm biến laser đo khoảng cách 38 2.1 Giới hạn đối tợng quét 38 2.2 Đầu sử dơng c¶m biÕn ZX-LD30V 38 2.3 Bộ khuếch đại tín hiệu ZX-LDA11 40 2.4 Bé kÕt nèi víi m¸y tÝnh .41 2.5 KiÕn tróc m¸y .42 Page Nghiên cứu thiết kế công cụ quét 3D sử dụng cảm biến đo dịch chuyển LASER phục vụ thiết kế ngược 2.6 HƯ thèng trun ®éng 43 2.7 HƯ thèng ®iỊu khiĨn .44 2.7.1 Mạch điểu khiển Arduino UNO R3 45 2.7.2 CNC shield 51 2.7.3 Motor driver DRV8825 .54 2.8 PhÇn mỊm ®iỊu khiĨn CNC GRBL dïng cho Arduino 55 2.9 Giao diƯn ®iỊu khiĨn Universal G-code Sender .58 2.10 Các yếu tố ảnh hởng đến sai số máy 62 2.11 Chế tạo thiết bị quét 3D: 63 Ch−¬ng : thực nghiệm quét dựng lại mô hình bề mỈt 3d cđa vËt mÉu 67 3.1 ThiÕt lËp thông số cho máy quét 67 3.2 QuÐt vËt mÉu 71 3.2.1 Chän vËt mÉu quÐt 71 3.2.2 Thùc hiÖn phÐp quÐt .72 3.3 Xử lý liệu đám điểm .76 3.4 Dựng lại bề mặt vËt mÉu 82 Kết luận hớng phát triển 84 Tài liệu tham kh¶o 85 Phô lôc 86 Page Nghiên cứu thiết kế công cụ quét 3D sử dụng cảm biến đo dịch chuyển LASER phục vụ thiết kế ngược Lêi c¶m ơn Trớc tiên, xin chân thành cảm ơn đến thầy cô viện Cơ khí viện Sau Đại học - Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội đd trang bị cho nhiều kiến thức quý báu thời gian qua Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Ngun Huy Ninh, ng−êi h−íng dÉn khoa häc cđa luận văn đd tận tình giúp đỡ hoàn thành luận văn Sau cùng, xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp ngời thân đd tận tình góp ý giúp đỡ suốt thời gian nghiên cứu Hà Nội, ngày 25 tháng năm 2016 TáC GIả LUậN VĂN Phạm Trung Hải Page Nghiờn cứu thiết kế công cụ quét 3D sử dụng cảm biến đo dịch chuyển LASER phục vụ thiết kế ngược Lời cam đoan Tôi xin cam đoan điều đợc nêu luận văn thạc sĩ kỹ thuật "Nghiên cứu thiết kế công cụ quét 3D sử dụng cảm biến đo dịch chuyển LASER phục vụ thiết kế ngợc" hoàn toàn Tất kết thu đợc từ luận văn từ trình nghiên cứu Mọi tài liệu trợ giúp thực luận văn đd đợc rõ nguồn gốc Khi viết luận văn này, tác giả có tham khảo kế thừa số kết nghiên cứu tác giả trớc sử dụng thông tin số liệu từ tạp chí, sách, mạng internet theo danh mục tham khảo Tác giả cam đoan chép nguyên văn từ luận văn hay nhờ ngời khác viết Tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm cam đoan chấp nhận hình thức kỷ luật theo quy định Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội Hà Nội, ngày 25 tháng năm 2016 TáC GIả LUậN VĂN Phạm Trung Hải Page Nghiờn cu thit kế công cụ quét 3D sử dụng cảm biến đo dịch chuyển LASER phục vụ thiết kế ngược DANH MôC CáC Ký HIệU Và Từ VIếT TắT Viết tắt Tiếng Anh TiÕng ViƯt RE Reverse Engineering C«ng nghƯ thiÕt kÕ ngợc CAD Computer Aided Designing ứng dụng máy tính hỗ trợ thiết kế CAM Computer Aided Manufacturing ứng dụng máy tính hỗ trợ công tác chế tạo, sản xuất CAE Computer Aided Engineering ứng dụng máy tính hỗ trợ việc phân tích đối tợng hình học CAD CAPP Computer Aided Process Plan øng dơng m¸y tÝnh viƯc lên kế hoặch sản xuất RP Rapid Prototying Công nghệ tạo mẫu nhanh CNC Computer Numerical Control Máy gia công ®iỊu khiĨn sè CMM Coordinate Mesuring Maschine M¸y ®o täa độ NURBS Non-uniform rational basic spline Một dạng mô hình toán học dùng để biểu diễn đờng cong bề mặt I/O Input/Output Chân nhận tín hiệu/ chân xuất tín hiệu vi điều khiển G-Code Ngôn ngữ lập trình điều khiển máy CNC Firmware Phần mềm nhúng, đợc nạp vào vi điều khiển Page Nghiờn cu thit kế công cụ quét 3D sử dụng cảm biến đo dịch chuyển LASER phục vụ thiết kế ngược DANH MôC CáC hình vẽ Chơng 1: Hình 1.1: Quy trình thiết kế mũ bảo hiểm áp dụng công nghệ tái tạo 15 Hình 1.2: Công nghệ RE dựng mô hình CAD cho sản phẩm nghệ thuật 16 Hình 1.3: ứng dụng công nghệ RE lấy mẫu hoa văn thủ công 16 Hình 1.4: ứng dụng công nghệ RE thiết kế lại sản phẩm khí phức tạp 17 Hình 1.5: ứng dụng RE khảo cổ học 17 H×nh 1.6: øng dụng RE tạo mảnh sọ ndo y học 18 H×nh 1.7: Sư dơng RE thiÕt kế nhân vật môi trờng Game phim hoạt hình 18 H×nh 1.8: So sánh quy trình công nghệ thiết kế thuận thiết kế ngợc .20 Hình 1.9: Máy đo tọa độ Ferranti Merlin .22 H×nh 1.10: Máy đo tọa độCORDAX 1808 22 Hình 1.11: Máy đo tọa độ ZMC 550 24 H×nh 1.12: Máy đo tọa độ UPMC 850 CARAT .24 H×nh 1.13: CMM kÝch th−íc lín 25 H×nh 1.14: CMM kÝch th−íc th−êng 25 H×nh 1.15: Nano CMM F25 cđa hdng Carl Zeiss 26 Hình 1.16: Máy CMM kiÓu tay gÊp (Artigulated arm) 27 Hình 1.17: Sử dụng máy đo CMM kiểu tay gấp để quét vật mẫu 27 Hình 1.18: Máy CMM dạng cầu (Bridge) 28 Hình 1.19: CMM kiểm công xôn 28 Hình 1.20: Máy CMM kiĨu giµn (Gantry) .29 Page Nghiên cứu thiết kế công cụ quét 3D sử dụng cảm biến đo dịch chuyển LASER phục v thit k ngc Hình 1.21: Máy CMM kiểu tay ngang (Horizonal arm) 30 H×nh 1.22: Đầu dò đo phơng pháp tiếp xúc 31 Hình 1.23: Nguyên lý hoạt động đầu đo không tiếp xúc 32 Hình 1.24: Mô hình thành phần hệ thống CMM đại 33 Hình 1.25: Lợc đồ thành phân máy đo tọa độ .33 Hình 1.26: Các bớc xử lý liệu scan 35 H×nh 1.27: Xư lý xóa điểm nhiễu đám điểm .36 Hình 1.28: Tạo hiệu chỉnh lới tam giác 36 Chơng 2: Hình 2.1:Kích thớc cảm biến ZX-LD30V 39 Hình 2.2: Bộ khuếch đại ZX-LDA11 .40 H×nh 2.3: Sơ đồ đấu dây điều khiển khuếch đại tÝn hiƯu 41 H×nh 2.4: Bé giao tiÕp m¸y tÝnh ZX-SF11 .42 Hình 2.5: Thiết kế mô hình máy quét 3D phần mềm Inventor 2014 43 Hình 2.6: Sơ đồ khối hƯ thèng ®iỊu khiĨn 45 Hình 2.7: Một số chủng loại mạch Arduino 47 Hình 2.8: Màn hình giao diÖn Arduino IDE 48 Hình 2.9: Mạch vi điều khiển Arduino UNO R3 49 H×nh 2.10: CNC shield 52 Hình 2.11: Lắp ráp CNC shield Motor driver Arduino UNO R3 .52 Hình 2.12: Tùy chọn điều khiĨn trơc A 52 Hình 2.13: Vị trí cắm dăm lựa chọn chế ®é ®iỊu khiĨn vi b−íc 53 H×nh 2.14: Các chế độ điều khiển vi bớc mạch điều khiĨn A4988 .53 Page Nghiên cứu thiết kế cơng cụ quét 3D sử dụng cảm biến đo dịch chuyển LASER phc v thit k ngc Hình 2.15: Các chế ®é ®iỊu khiĨn vi b−íc cđa m¹ch ®iỊu khiĨn DRV8825 53 Hình 2.16: Mạch điểu khiển động bớc DTV8825 54 Hình 2.17: Đấu nỗi DRV8825 với động mạch điều khiển chung 55 H×nh 2.18: Giao diƯn sư dơng cđa Universal G-code sender 60 Hình 2.19: Cửa số thông báo viƯc gia c«ng xong 60 Hình 2.20: Mô 3D đờng chạy dụng cụ theo chơng trình G-code 61 Hình 2.21: Giao diện điều khiển bẳng tay .61 H×nh 2.22: Mét sè hình ảnh trình chế tạo thiết bị quét 65 Chơng 3: Hình 3.1: Khởi động chơng tr×nh UGS .67 H×nh 3.2: Thiết lập thông số cho GRBL 68 H×nh 3.3: VËt mÉu quÐt 71 Hình 3.4: Sơ đồ chạy đầu đò quét 72 H×nh 3.5: Cài đặt chế độ đo cho đầu đò - Đo theo chu trình 10ms lần liên tục 2h 73 Hình 3.6: Chơng trình G-code điều khiển máy quét 74 Hình 3.7: Đầu quét vật mẫu 75 Hình 3.8: Màn hình thu nhận d÷ liƯu .75 Hình 3.9: File liệu thu nhận đợc 76 H×nh 3.10:File sau läc d÷ liƯu 77 Hình 3.11: Sơ đồ thuật toán chơng trình Matlab 79 Hình 3.12: Chơng tr×nh Matlab 80 Hình 3.13: File output thu đợc .81 Page Nghiên cứu thiết kế công cụ quét 3D sử dụng cảm biến đo dịch chuyển LASER phục vụ thiết kế ngược - Tốc độ chạy đầu dò: 120mm/min (thông số $4 đặt trực tiếp phần setting ban đầu máy, đd nêu phần trớc, lựa chọn tốc độ thấp để h¹n chÕ sai sè thêi gian gia tèc trơc) - Tốc độ chạy không đo: 500mm/min (thông số $5) - Gia tốc trục: 50mm/s (thông số $8, đặt trực tiếp phần setting ban đầu máy, lựa chọn giá trị cao để giảm thời gian gia tốc trục, nhiên cao khiến máy bị giật hoạt động) - Tần số lấy mẫu 100 Hz, tức 10 ms lấy mẫu lần (cài đặt chơng trình Smart Monitor/ Logging điều khiển đầu dò) Lập trình chơng trình nc chạy theo đờng chạy Hình 3.6: Chơng trình G-code điều khiển máy quét Chơng trình viết xong đợc nạp vào Universal G-code sender gửi tới Arduino UNO R3 để tiến hành đo Trong G54 G27 G91 chọn hệ trục tọa độ, mặt phẳng gia công, hệ tọa độ tơng đối Lệnh M05: tắt tín hiệu Laser, đầu dò trả giá trị E (error) Lệnh G00 X10: Di chuyển nhanh đầu dò đến điểm A (điểm bắt đầu đo) M03: Mở Laser bắt đầu đo Page 74 Nghiờn cứu thiết kế công cụ quét 3D sử dụng cảm biến đo dịch chuyển LASER phục vụ thiết kế ngược G01 X30: Di chuyển đầu dò theo phơng X khoảng 30mm M05 G00 X-30 Y0,1: Tắt laser đồng thời di chuyển đầu dò điểm đầu tiến thêm bớc 0,1 theo phơng Y (by) Chu trình đợc lặp lại liên tục diện tích quét đợc quét hết Trong trình này, đầu dò liên tục đo gửi tín hiệu đo đợc máy tính Chơng trình Smart Monitor ghi lại lu lại dới dạng file exel Hình 3.7: Đầu quét vật mẫu Hình 3.8: Màn hình thu nhËn d÷ liƯu Page 75 Nghiên cứu thiết kế cơng cụ quét 3D sử dụng cảm biến đo dịch chuyển LASER phục vụ thiết kế ngược 3.3.Xư lý d÷ liƯu đám điểm Trong trình đo, liệu tọa độ Z đợc thu nhờ phần mềm điều khiển cảm biến Smart monitor Các liệu đợc lu dới dạng file *.csv (một định dạng file exel) Dùng chơng trình exel để import file liệu quét ta có đợc liệu nh hình 3.9: Hình 3.9: File liệu thu nhận đợc Trong dòng từ đến 14 ghi lại thông số cài đặt Dữ liệu đợc ghi từ dòng 15 trở với định dạng: Số thứ tự, thời gian , số liệu đo, thị đo khác Dữ liệu ta cần số liệu đo đợc ghi cột DATA Tại số điểm đo, DATA đa E Đó điểm tơng ứng với vị trí Laser bị tắt điểm nằm khoảng đo Với vật thể đd chọn, điểm nằm khoảng đo Đối với điểm tơng ứng với vị trí Laser bị tắt thờng n»m Page 76 Nghiên cứu thiết kế công cụ quét 3D sử dụng cảm biến đo dịch chuyển LASER phục v thit k ngc tập trung với Đây đặc điểm để ta phân biệt loại điểm điểm tơng ứng với vị trí laser bị tắt ta không sử dụng xóa Tuy nhiên ta không xóa mà lợi dụng điểm để xác định vị trí đầu dò reset lại trục X (trục X quay điểm đầu lần quét tiếp theo) Sau xóa hết liệu khác ta đợc cột liệu tọa độ trục Z nh hình Với thông số cài đặt nh đd nêu, sau gần quét, số điểm đầu dò thu đợc 476.896 điểm (bao gồm điểm trả liệu E-Error) Hình 3.10:File sau lọc liệu Giá trị thu đợc khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt vật thể Khi dùng giá trị để lập lại mô hình 3D ta thu đợc bề mặt đảo ngợc vật thể Do đó, để bề mặt vật thể ta đảo giá trị cách lấy giá trị cố định (ví dụ 40) trừ giá trị Việc cần làm thêm giá trị X Y tơng ứng vào Nh đd cài đặt phía trên, độ phân giải trục Y 0,1mm, nh với bớc lới quét, tọa độ trục Y tăng lên 0,1mm Tần số lấy mẫu 100Hz, tốc độ di chuyển đầu quét 120mm/min Nh lần đo, tọa độ X điểm trớc cách tọa độ X điểm sau 120/(60*100) = 0,02mm Page 77 Nghiên cứu thiết kế công cụ quét 3D sử dụng cảm biến đo dịch chuyển LASER phục vụ thit k ngc Tiến hành thêm tọa độ X-Y vào điểm tơng ứng ta có đợc file exel chứa đầy đủ thông tin tọa độ điểm đợc đo Tuy nhiên với liệu quét đợc gần 476.896 điểm, việc thêm tọa độ X Y cách thủ công vào công việc không dễ dàng Để giải vấn đề này, ta sử dụng chơng trình Matlab để viết đoạn Script xử lý file liệu Nh đd nêu mục trớc, điểm laser bị tắt, đầu dò phản hồi tín hiệu với giá trị E Nếu để nguyên nhập liệu vào Matlap, phần tử đợc gán có giá trị NaN (Not a Number), khó để xử lý phân tử Ta sử dụng lệnh Replace exel để thay hết giá trị E file thành giá trị 0, lợi dụng giá trị nhằm mục đích xác định reset lại giá trị tọa độ trục X ứng với lần đầu dò tắt laser quay đầu đờng quét Thuật toán chơng trình đợc trình bày hình 3.11 Page 78 Nghiờn cu thit kế công cụ quét 3D sử dụng cảm biến đo dịch chuyển LASER phục vụ thiết kế ngược Begin - Input bx, by - Ð?c file Input vào A - n = size (A) -i=1 - x = 0; y = i