Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phương pháp tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong nhằm cải thiện chất lượng làm việc của kéo

Mục đích của đề tài là nhằm cải thiện tính cắt sắc, hướng tới cải thiện chất lượng làm việc của kéo, mục đích nghiên cứu của đề tài luận án là để đưa ra được: Phương pháp mô hình hóa lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong, hệ phương trình tính toán cùng với giải thuật cho phép tính toán, thiết kế các thông số hình học (TSHH) của lưỡi kéo; Phương pháp gia công tạo hình lưỡi kéo để đạt được các thông số thiết kế, với việc sử dụng công nghệ tiên tiến như: robot, máy CNC;

1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Kéo mổ y tế đầu cong (gọi tắt là kéo) là dụng cụ phẫu thuật dùng để cắt các mô như: Cân, cơ, màng phổi, màng tim, mạch máu… hoặc một số bộ phận thể Kéo có cấu tạo phức tạp, lưỡi cắt cong chiều, lưỡi cắt phải sắc và là đường cong trơn liên tục Do điều kiện làm việc đặc biệt, yêu cầu chất lượng cao, hình dạng lưỡi cắt kéo phức tạp, việc tính toán, thiết kế, gia cơng tạo hình lưỡi kéo khó khăn; Cơ sở tính toán, thiết kế và cơng nghệ chế tạo kéo được cơng bớ Do vậy với điều kiện nước càng khó tìm kiếm tài liệu tham khảo tiếp cận tài nguyên liệu phục vụ việc nghiên cứu Kéo mổ y tế đầu cong được sản xuất và bán rộng rãi thế giới, kéo mổ y tế đầu cong sử dụng nước hầu hết phải nhập ngoại, giá đắt Kéo chế tạo nước có chất lượng thấp chủ yếu tập trung chất lượng lưỡi cắt (do được mài bằng tay) Vì vậy: “Nghiên cứu phương pháp tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong nhằm cải thiện chất lượng làm việc kéo” để làm chủ tính toán, thiết kế, chế tạo kéo là một nhiệm vụ cần thiết có tầm quan trọng và ý nghĩa khoa học, kinh tế, xã hội rất lớn Mục đích đề tài Nhằm cải thiện tính cắt sắc, hướng tới cải thiện chất lượng làm việc kéo, mục đích nghiên cứu đề tài luận án là để đưa được: - Phương pháp mô hình hóa lưỡi cắt kéo mở y tế đầu cong, hệ phương trình tính toán cùng với giải tḥt cho phép tính toán, thiết kế các thơng sớ hình học (TSHH) lưỡi kéo; - Phương pháp gia công tạo hình lưỡi kéo để đạt được các thơng sớ thiết kế, với việc sử dụng công nghệ tiên tiến như: robot, máy CNC; - Phương pháp thực nghiệm đo TSHH, mài tạo hình và đo lực cắt lưỡi kéo Từ đó, lựa chọn được thông số thiết kế cho kéo mẫu thí nghiệm, mài được lưỡi kéo, so sánh được lực cắt kéo mẫu thí nghiệm với mợt số kéo ngoại nhập từ đó đánh giá sự cải thiện tính cắt kéo mẫu; - Phương pháp điều chỉnh các TSHH lưỡi kéo quá trình gia cơng tạo hình, nhằm cải thiện tính cắt sắc, hướng tới cải thiện chất lượng làm việc kéo Đối tượng, phạm vi nghiên cứu a Đối tượng : Lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong b Phạm vi nghiên cứu: - Lý thuyết tạo hình bề mặt cong phức tạp để tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong - Phương pháp gia cơng tạo hình lưỡi cắt kéo bằng cơng nghệ cao robot, máy CNC - Biện pháp thay đổi TSHH lưỡi cắt nhằm cải thiện tính cắt sắc hướng đến cải thiện chất lượng làm việc kéo - Phương pháp thực nghiệm mài lưỡi cắt, xác định thơng sớ hình học, đo lực cắt kéo c Phương pháp nghiên cứu Kết hợp lý thuyết, mô hình hóa, mơ phỏng và thực nghiệm điều kiện cho phép tại Việt Nam Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án + Những đóng góp luận án: Luận án đã đưa được: 1) Phương pháp toán học mơ hình hóa lưỡi cắt kéo mở y tế đầu cong bao gồm các phương trình xác định đường cong lưỡi cắt, các phương trình biểu diễn góc trước, góc sau, mặt trước và mặt sau lưỡi cắt 2) Phương pháp gia cơng tạo hình lưỡi cắt thiết bị công nghệ cao các robot, máy CNC 3) Phương pháp điều chỉnh các thơng sớ hình học lưỡi cắt, đặc biệt là góc trước lưỡi cắt kéo quá trình mài tạo hình nhằm tới ưu tính cắt sắc kéo 4) Giải tḥt và chương trình máy tính cho phép tính toán xác định thơng sớ hình học lưỡi cắt kéo; mơ phỏng quá trình mài tự đợng mặt trước, mặt sau lưỡi kéo các thiết bị công nghệ tiên tiến robot và máy CNC; cho phép điều khiển linh hoạt để mài tạo hình lưỡi kéo với thơng sớ hình học mong ḿn 5) Các phương pháp thực nghiệm: Quy trình mài lưỡi cắt kéo mẫu thí nghiệm robot trục; Phương pháp xác định thông sớ hình học lưỡi cắt kéo thực bằng kỹ thuật ngược; Phương pháp đo lực cắt theo phương x, y, z bằng đồ gá chuyên dùng, tích hợp các cảm biến đo lực + Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Luận án đã xây dựng được phương trình lưỡi cắt, sở đó đã dùng công nghệ tiên tiến và các thiết bị hiện đại hiện có tại Việt Nam để mài và kiểm tra quá trình tạo hình lưỡi cắt kéo Kết thực nghiệm phù hợp với các kết nghiên cứu lý thuyết và số liệu đo lường gắn với kéo mẫu nước ngoài Vì vậy luận án mang ý nghĩa khoa học và là tài liệu tham khảo tốt cho các nhà công nghệ nên nó mang ý nghĩa thực tiễn Bố cục nội dung luận án Phần mở đầu Phần nội dung: Chương Tởng quan phương pháp tạo hình lưỡi cắt kéo mở y tế đầu cong Chương Mơ hình hóa lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong Chương Nghiên cứu phương pháp mài tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong Chương Thực nghiệm tạo hình lưỡi cắt, đo lực cắt kéo mở y tế đầu cong Phần kết luận kiến nghị Chương TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH LƯỠI CẮT KÉO MỔ Y TẾ ĐẦU CONG 1.1 Giới thiệu kéo mổ y tế đầu cong Đầu Kéo 1.1.1 Khái niệm, công dụng kéo mổ y tế đầu cong Mang - Kéo là một loại dụng cụ dùng để cắt, gồm hai Kéo phần trái và phải, ta gọi là vế trái và vế phải, được làm bằng thép các bon hoặc thép hợp kim Chân Kéo - Kéo mổ y tế đầu cong thường được sử dụng để cắt các mô thể ngoài kéo còn được dùng để cắt chỉ, vải, gạc, băng, sợi kim loại chuẩn bị, phục Hình Cấu tạo kéo mổ y tế đầu cong vụ cho phẫu thuật 1.1.2 Cấu tạo kéo mổ y tế đầu cong Các loại kéo mở đầu cong dùng y tế có hình dáng kết cấu phức tạp [4, 8] chia thành phần: Đầu mang và chân kéo (hình 1.2) 3 Hình 1.4, 1.6 cho biết cấu tạo đầu kéo Các ký hiệu RCL, RCR, RXL, RXR hình 1.4 lần lượt tương ứng là bán kính cong đường cong lưỡi cắt trái, phải, các mặt phẳng Oxy, Oyz và Rs bán kính cong đường cong Bc tiết diện pháp tuyến AA Hình Cấu tạo phần đầu kéo [4,8] Hình Mặt cắt ngang của lưỡi cắt 1.1.3 Yêu cầu kỹ thuật kéo mổ y tế đầu cong Kéo phải sắc, cắt nhẹ nhàng, không nhay trượt (theo Tiêu chuẩn q́c tế & TCVN) Từ hình dạng hình học kéo cùng với yêu cầu kỹ thuật chế tạo cho thấy cần phải nghiên cứu tính toán, thiết kế và phương pháp tạo hình lưỡi cắt kéo một dụng cụ cắt phức tạp với yêu cầu kỹ thuật cao 1.2 Tổng quan phương pháp tạo hình bề mặt chi tiết 1.2.1 Đặc trưng hình học bề mặt chi tiết 1.2.1.1 Biểu diễn đường cong mặt cong không gian  Đường cong khơng gian và các đặc trưng hình học Trong hệ tọa độ ba trục vuông góc không gian R3, phương trình đường cong L có thể cho dạng tham số:  x  x t  (1.1)   y  y t    z  z t  Từ đó ta lập được phương trình tiếp tuyến, phương trình pháp diện đường cong tại điểm M0 và ta có thể xác định được độ cong nó  Mặt cong không gian và các đặc trưng hình học Trong hệ tọa đợ ba trục vng góc khơng gian R3, phương trình bề mặt S có thể biểu diễn dạng: (1.9) z  f  x, y  Hoặc f  x, y , z   (1.10) Xét tại điểm M0 S, giả thiết ba đạo hàm f x  x, y , z  , f y  x, y , z  , f z  x, y , z  (1.10) tồn tại, liên tục và không đồng thời triệt tiêu Gọi L là một đường cong thuộc S qua M0 có phương trình tham sớ dạng (1.1) Trường hợp điểm M0 và đường cong L đồng thời nằm hai mặt cong, tức L là giao tuyến hai mặt cong, hệ phương trình xác định L là:   f  x, y , z   (1.11)    g  x, y , z   Từ đó ta lập được phương trình tiếp tuyến, phương trình pháp diện mặt cong Ký hiệu các tham số là u, v, các tọa độ Descartes x, y, z (1.9), (1.10) là hàm u, v Các phương trình mặt cong S có thể viết dạng tham số:  x  x  u, v   r  r  u, v    y  y  u, v    y  y  u, v  (1.16) Người ta có thể biểu diễn lưới mặt cong S ứng với các giá trị tham số u, v công thức (1.16) Với r là bán kính vector, gớc tại O hệ tọa đợ Oxyz, tới một điểm M mặt cong S Các tham số u, v còn gọi là các tọa độ cong Các đường cong bề mặt ứng với u, v không đổi được gọi là các đường cong tọa độ 1.2.1.2 Đường cong mặt cong chi tiết Trong hình học vi phân các đường cong là trơn, liên tục, khơng có kích thước ngang, có thể truy cập từ nhiều phía; còn mặt cong là trơn, liên tục khơng có chiều dày, truy cập từ hai phía bề mặt Các đường cong bề mặt các chi tiết thường biểu diễn biên dạng, hoặc giới hạn bề mặt chi tiết, hoặc biểu diễn vị trí và hướng làm việc chi tiết Khảo sát đặc trưng hình học bề mặt dựa hình học vi phân và sự hình thành chúng là sở để tìm phương pháp tạo hình bề mặt chi tiết Hình Các dạng bề mặt [38] Từ lưới bề mặt hình 1.9, mợt đường cong tọa độ, chẳng hạn ứng với (u), được gọi là đường sinh, đường cong thứ hai (v) gọi là đường hướng Từ lý thuyết tạo hình bề mặt [38], có dạng bề mặt có thể được tạo thành trượt đường sinh u theo đường hướng v Điều này có thể làm được nếu bề mặt có đường sinh có dạng không đổi Hoặc nếu bề mặt cong có đường hướng v không đổi, có thể tạo thành bề mặt trượt đường hướng v theo đường sinh u Có thể gọi đường cong đó đường sinh hay là đường hướng và ngược lại Theo khả tạo hình, người ta phân loại bề mặt thành : Bề mặt tự trượt (hình 1.9.a – c); bề mặt “tự trượt” theo đường hướng v (hình 1.9.d– f); bề mặt có đường sinh (u) hoặc đường hướng (v) khơng đởi(hình 1.9.g); bề mặt có đường u, v thay đổi liên tục (hình 1.9.k) Cơng nghệ tạo hình các bề mặt tự trượt được thực hiện bằng việc phối hợp các chuyển động chi tiết và dụng cụ bao gồm các chuyển động quay quanh và tịnh tiến Thực tế kỹ thuật cho thấy có nhiều loại bề mặt chi tiết khơng thể cho trực tiếp dạng phương trình toán học Trên sở phương pháp tạo hình, và từ tính toán thiết kế hoặc thực nghiệm có thể xác định một lưới điểm bề mặt cần tạo hình, tức xác định được giá trị tọa đợ các điểm thuộc bề mặt nằm một lưới Từ đó có nhiều phương pháp nội suy bề mặt để xây dựng được dạng giải tích gần bề mặt cần gia cơng 5 1.2.2 Ngun lý tạo hình bề mặt dụng cụ cắt 1.2.2.1 Động học tạo hình bề mặt Trong quá trình gia cơng tạo hình, dụng cụ cắt và chi tiết chuyển động tương đối với nhau, kết cắt gọt tạo thành bề mặt gia cơng Khi thực hiện chủn đợng tạo hình, phần lưỡi cắt dụng cụ tiếp xúc bề mặt gia cơng và tạo hình bề mặt, được gọi là biên dạng lưỡi cắt (prophin) Để tạo hình bề mặt chi tiết, phần prophin lưỡi cắt dụng cụ cần phân bố bề mặt nào đó mà quá trình gia cơng tạo hình, prophin lưỡi cắt tiếp xúc với bề mặt chi tiết Bề mặt đó được gọi là bề mặt khởi thủy dụng cụ Bề mặt khởi thủy dụng cụ có thể tiếp xúc với chi tiết theo khả [39] (1) Bề mặt khởi thủy dụng cụ trùng với bề mặt chi tiết; (2) Bề mặt khởi thủy dụng cụ tiếp xúc với bề mặt chi tiết theo đường sinh (hoặc đường hướng); (3)Bề mặt khởi thủy dụng cụ tiếp xúc với bề mặt chi tiết theo điểm: để tạo hình, dụng cụ vừa thực hiện chủn đợng ăn dao, vừa thực hiện hai chủn đợng tạo hình theo đường hướng hoặc đường sinh, hình 1.10.c Khi đó, dụng cụ phải thực hiện chủn đợng tạo hình phức tạp gồm các chuyển động quay (3) và tịnh tiến (3), xem hình 1.11 Đây là sở để phần tiếp sau luận án phân tích bề mặt lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong và nghiên cứu phương pháp tạo hình lưỡi cắt kéo Hình 11 Các chuyển đợng tạo 1.2.2.2 Các phương pháp tạo hình bề mặt hình bề mặt chi tiết phức tạp [39] * Nguyên lý chép hình * Nguyên lý bao hình * Nguyên lý bao hình bề mặt tự Với các bề mặt tự thường là bề mặt phức tạp, tiếp xúc bề mặt khởi thủy dụng cụ với bề mặt chi tiết thường là theo điểm Chủn đợng tạo hình được tích hợp từ các chuyển động thành phần tịnh tiến và quay quanh một trục Khi tạo hình các bề mặt phức tạp, cần thực hiện bằng các máy, thiết bị nhiều bậc tự để phối hợp nhiều chuyển động thành phần 1.2.2.3 Phương pháp xác định bề mặt khởi thủy bề mặt dụng cụ Theo [1,2,5] chỉ rõ: loại bề mặt chi tiết và sơ đồ đợng học tạo hình cần có dụng cụ với biên dạng lưỡi cắt, bề mặt khởi thủy, tương ứng để thực hiện quá trình tạo hình Từ phương pháp biểu diễn bề mặt và xác định đặc trưng hình học bề mặt đã trình bày, có thể áp dụng để xác định bề mặt khởi thủy dụng cụ bằng phương pháp sau: a Phương pháp xác định bề mặt khởi thủy đồ thị b Phương pháp xác định bề mặt khởi thủy giải tích c Phương pháp động học xác định bề mặt khởi thủy: 1.2.3 Khái quát cấu tạo dụng cụ cắt Kéo mổ y tế đầu cong là mợt dụng cụ cắt Vì vậy, kéo có phần thân kéo, phần làm việc; có mặt trước, mặt sau, lưỡi cắt, góc trước, góc sau … tương tự dao tiện - Lưỡi cắt là giao tuyến mặt trước và mặt sau - Góc trước : là góc tạo thành vết mặt trước và vết mặt đáy dao đo tiết diện N – N 6 - Góc sau : là góc tạo thành vết mặt sau và vết mặt phẳng cắt gọt đo tiết diện - N-N - là tiết diện vng góc với hình chiếu lưỡi cắt mặt đáy Các trình bày là sở để áp dụng cho việc mô tả chi tiết các góc độ kéo mổ y tế đầu cong xác định các TSHH kéo để phục vụ cho nghiên cứu tạo hình lưỡi cắt kéo 1.3 Khái qt tạo hình lưỡi cắt, cơng nghệ chế tạo kéo mổ y tế đầu cong 1.3.1 Khái quát tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong Việc chế tạo kéo tạo hình lưỡi cắt gồm nhiều cơng đoạn Ḷn án chỉ tập trung nghiên cứu quá trình gia cơng tinh bằng mài tạo hình lưỡi cắt kéo Chủn đợng tạo hình đá mài lưỡi kéo cần đảm bảo bề mặt đá tiếp xúc bề mặt lưỡi kéo di chuyển dọc theo đường cong lưỡi kéo Tùy thuộc loại đá mài được sử dụng, có các chuyển động đá một cách phù hợp Mài mặt trước đá mài hình trụ, hình cơn: (hình 1.18) Mài mặt trước đá mài hình đĩa, hình cầu, hình xún: chủn đợng tạo hình đá cần đảm bảo đá vừa di chuyển dọc theo đường cong lưỡi cắt kéo, đồng thời di chuyển dọc theo đường biên dạng Fc tiết diện pháp tuyến (hình 1.18, 1.19); Hình 18 Mài tạo hình mặt trước loại đá Hình 19 Tiếp xúc bề mặt đá mài mặt trước lưỡi cắt của kéo mặt phẳng pháp tuyến Mài mặt sau đá mài hình cầu, hình xuyến: tiếp xúc bề mặt đá mài và bề mặt sau lưỡi kéo theo điểm; chủn đợng tạo hình đá cần đảm bảo đá vừa di chuyển dọc theo đường cong lưỡi cắt kéo, đồng thời di chuyển dọc theo đường biên dạng Bc tiết diện pháp tuyến (hình 1.20, 1.21); Hình 20 Mài mặt sau đá cầu, xuyến Hình 1.21 Tiếp xúc bề mặt đá mài mặt sau lưỡi cắt của kéo mặt phẳng pháp tuyến Vì các chủn đợng tạo hình này là phức tạp nên với các máy mài thông thường không thực hiện được Việc thực hiện bằng tay khó đảm bảo đợ xác các TSHH kéo, chất lượng không ổn định, suất thấp 1.3.2 Công nghệ chế tạo kéo mổ y tế đầu cong Thế giới và Việt Nam có chế tạo kéo mổ y tế đầu cong, các công đoạn tóm tắt sau: Dập tạo hình  Gia cơng thơ  Nhiệt lụn  Mài tinh lưỡi cắt  Gia công tinh các bề mặt còn lại Khi mài tinh lưỡi cắt bằng tay, chất lượng lưỡi cắt khơng ởn định (xem hình 1.23) 7 Bề mặt lòng mo không đều, lưỡi cắt không trơn (tại B)  là việc làm việc kéo cắt khơng trơn, dễ bị nhay Vì vậy, ḷn án nghiên cứu phương pháp sử dụng các thiết bị công nghệ cao robot, các máy CNC để thực hiện gia cơng mài tạo hình lưỡi cắt kéo theo yêu cầu, hướng tới cải thiện chất lượng làm việc kéo B Hình 23 Lòng mo không đều, 1.4 Một số phương pháp đo lực cắt kéo lưỡi cắt không [8] 1.4.1 Nghiên cứu nhóm tác giả Mohsen Mahvash; Liming M Voo, Diana Kim, Kristin Jeung (nhóm 1), Modeling the Forces of Cutting with Scissors , 2008, tài liệu [26] Các nhà khoa học đã sử dụng cảm biến ATI Nano-17 để đo lực cắt kéo thẳng (hình 1.25), kết đo lực cắt xem hình 1.26 Hình 1.26 Quan hệ lực cắt góc Hình 1.25 Robot đo lực với cảm biến mở của kéo [26] ATI Nano-17 [26] Họ đã sử dụng lý thuyết bảo toàn lượng để đưa được cơng thức tính toán lực tác động tay người fx cắt; Nghiên cứu đã khẳng định quá trình biến dạng (BD) cắt gồm gia đoạn: BD đàn hồi, BD dẻo và phá hủy 1.4.2 Nghiên cứu nhóm tác giả D J Callaghan1, G Rajan, M M McGrath , E Coyle, Y Semenova and G Farrell, (nhóm 2) Investigation and experimental measurement of scissor blade cutting forces using fiber Bragg grating sensors (FBG), (nguồn: [20] Hình 29 Hình ảnh đo lực cắt với cảm biến FBG [20] Hình 1.31 Dữ liệu thực nghiệm cắt giấy [20] Nhóm đã sử dụng cảm biến sợi quang (FBG) để đo lực cắt kéo thẳng Quá trình nghiên cứu đo lực cắt kéo chia thành giai đoạn (cắt tự và cắt có vật liệu cắt) Kết đo được lực cắt theo phương x, y, z 1.4.3 Mợt số mơ hình đo lực khác Từ phân tích các mơ hình đo lực cắt nhận thấy các mơ hình này chưa đo được lực cắt kéo mở y tế đầu cong Vì thế, đòi hỏi phải nghiên cứu để tìm mợt mơ hình đo kéo mở y tế đầu cong phù hợp tại Việt Nam Kết luận chương Chương một đã nghiên cứu tổng quan kéo mổ y tế đầu cong, giới thiệu công dụng, cấu tạo, yêu cầu kỹ thuật kéo mổ y tế đầu cong; Tổng quan về lý thuyết tạo hình bề mặt các chi tiết, khái quát phương pháp chế tạo, đo lực cắt kéo mổ y tế đầu cong, từ đó xác định phạm vi, nội dung nghiên cứu đề tài luận án: - Phân tích và xác định đối tượng nghiên cứu, nhận dạng yêu cầu đối với tạo hình lưỡi cắt kéo - Dẫn sở khoa học cho phép áp dụng mơ hình hóa lưỡi cắt, phục vụ tính toán thiết kế, đó là phương pháp biểu diễn đường cong, mặt cong khơng gian và xác định các đặc trưng hình học - Phân tích sở khoa học và phương pháp tạo hình bề mặt làm sở để tìm phương pháp tạo hình lưỡi cắt kéo mở ý tế đầu cong Đó là các phương pháp tạo hình bề mặt, phương pháp thiết lập chủn đợng tạo hình, xác định bề mặt khởi thủy dụng cụ cắt - Phân tích phương pháp xác định ́u tớ đặc trưng chất lượng làm việc kéo là lực cắt, tạo sở xây dựng phương pháp đo lực kiểm tra mẫu kéo thử nghiệm CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA LƯỠI CẮT KÉO MỔ Y TẾ ĐẦU CONG Bằng việc khảo sát hình dạng hình học lưỡi cắt kéo mở y tế đầu cong (gọi tắt là lưỡi kéo), tiến hành mơ hình hóa toán học lưỡi cắt; thiết lập hệ phương trình toán học xác định đường cong lưỡi cắt; xác định biên dạng mặt trước, mặt sau lưỡi cắt Tiếp theo trình bày giải tḥt tính toán và mơ phỏng sớ được thực hiện bằng việc lập trình Áp dụng kỹ thuật thiết kế ngược để khảo sát một số mẫu kéo phổ biến, làm sở phân tích, lựa chọn TSHH cho kéo được thiết kế 2.1 Phương trình đường cong lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong 2.1.1 Hệ tọa độ khảo sát Trên hình 2.1 dẫn hệ tọa đợ khảo sát Oxyz - Trục x, y nằm mặt phẳng sở kéo, việc xác định phương chiều trục x, y được xác định bằng PP tam diện thuận - Trục z nằm dọc theo trục chốt kéo, hướng chiều Hình Hệ trục tọa đợ tính tốn của kéo dương cho mũi kéo nằm phần dương trục z Hệ tọa độ Oxyz được gọi là hệ tọa độ sở kéo, được sử dụng để tính toán TSHH kéo thiết kế kéo; tính toán, thiết kế quỹ đạo chủn đợng cho thiết bị gia công dẫn dụng cụ thực hiện chuyển đợng mài tạo hình lưỡi cắt 2.1.2 Hình dạng đường cong lưỡi cắt kéo mặt phẳng tọa đợ Hình 2.2 biểu diễn các hình chiếu Lxy, LyZ đường cong lưỡi cắt vế phải kéo các mặt phẳng tọa độ Oxy và Oyz tương ứng Hình 2 Hình chiếu đường cong lưỡi cắt của kéo mặt phẳng tọa đợ Từ phân tích hình dạng các bề mặt tạo nên đường cong lưỡi cắt đã xác định: Lưỡi cắt là giao mặt trụ với mặt xuyến (hình 2.3 và hình 2.5) Vì vậy ta chọn cách biểu diễn mặt xuyến hệ tọa độ Oxyz sau Đối với hai vế kéo, trục tâm mặt xuyến song song với trục x, tức là mặt phẳng chứa vòng tâm xuyến trùng với mặt phẳng Oyz Vị trí giao điểm trục tâm mặt xuyến với mặt phẳng Oyz, ký hiệu Ox, được xác định tùy theo kéo được thiết kế Lưỡi kéo được tạo thành đường cong lưỡi cắt kéo, mặt sau lưỡi cắt là mặt vòng xuyến có dạng lòng mo (gọi là lòng mo), hình 2.4 Hình Mặt trụ mặt xuyến chứa đường cong lưỡi cắt của kéo Hình Mặt sau - lòng mo của lưỡi cắt của kéo 2.1.3 Thiết lập phương trình đường cong lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong - Gọi bán kính mặt trụ là rc, tởng quát bán kính mặt trụ khơng phải là hằng sớ, song ta giới hạn xét bán kính mặt trụ là hằng số, điều này phù hợp với các kéo sẵn có hiện được khảo sát, đo đạc - Tọa độ trục tâm mặt trụ theo phương x, y hệ tọa độ sở ta ký hiệu là xc, yc - re: là bán kính vòng tâm mặt xuyến, rs là bán kính vòng tròn tiết diện mặt phẳng hướng tâm vòng xuyến, hình 2.6, 2.7 Hình 2.6, 2.7 Mặt trụ mặt xuyến tạo lưỡi cắt của kéo - Tọa độ tâm mặt xuyến hệ tọa độ sở ký hiệu là x e, ye, ze Ta chọn tâm mặt xuyến nằm mặt phẳng Oyz nên xe bằng không Với: re bán kính vòng tâm mặt xuyến, rs là bán kính vòng tròn tiết diện pháp tuyến mặt xuyến (Tâm vòng tròn mặt xuyến), Gọi góc  là góc đường thẳng nối tâm mặt xuyến với tâm vòng xuyến và mặt phẳng sở kéo; còn  là góc đường thẳng nối tâm mặt xuyến với tâm vòng xuyến và đường thẳng nối tâm vòng xuyến với điểm đường cong lưỡi cắt kéo (2.3)    2 ,    2 Hệ phương trình xác định đường cong lưỡi cắt kéo (2.4) :  x  xe  rs sin   y  y  ( r  r cos  ) cos  e e s   z  z  ( r  r cos  ) sin  e e s   x  x    y  y   r c c c  (2.4) xc , yc là tọa độ tâm O2 mặt trụ hệ tọa độ OdXdYdZd.; rc là bán kính trụ Tởng quát, bán kính mặt trụ, bán kính vòng tâm xuyến, bán kính vòng tròn tiết diện xuyến có thể thay đổi dọc theo các điểm đường cong lưỡi cắt kéo, và vậy 10 tọa độ tâm trụ và xuyến có giá trị tương ứng Trước hết ta giả thiết các tham số nói là hằng số với loại kéo để dẫn hệ phương trình toán học biểu diễn đường cong lưỡi cắt kéo 2.1.4 Phương pháp giải hệ phương trình vẽ đường cong lưỡi cắt Để giải hệ phương trình (2.4) ta lấy hai phương trình đầu thế vào phương trình ći ta được mợt phương trình hai biến  , Ta giải phương trình vừa thu được theo  Ta nhận được nghiệm có dạng: (2.5)    ( ) Thế nghiệm vào ba phương trình đầu ta thu được phương trình đường cong lưỡi cắt dạng tham số (2.6):  x  x ( )   y  y ( )  z  z ( )  (2.6) Kết hợp thông số góc trước và góc sau lưỡi cắt ta xác định được đặc trung hình học mặt cong lưỡi cắt Bằng phương pháp chia đường cong lưỡi cắt thành nhiều điểm và sử dụng phần mềm phù hợp ta có thể tính và vẽ đươc đường cong lưỡi cắt 2.2 Đặc trưng hình học mặt trước mặt sau lưỡi cắt Hình dạng hình học lưỡi cắt kéo mở y tế đầu cong được giới hạn đường cong lưỡi cắt kéo, mặt trước và mặt sau lưỡi cắt 2.2.1 Biểu diễn mặt trước lưỡi cắt kéo Mặt trước lưỡi cắt kéo được xác định góc trước lưỡi cắt Thực tế vật cắt là mỏng, có thể coi thời điểm cắt, các điểm hai vế kéo gặp tại một điểm nằm mặt phẳng tọa độ Oyz - Pr: mặt phẳng đáy - PF: mặt phẳng tiếp xúc với mặt trước lưỡi cắt tại điểm khảo sát - k: vector tiếp tuyến đường cong lưỡi cắt - d: hình chiếu vector tiếp tuyến đường cong lưỡi cắt mặt đáy Pr - C: mặt phẳng chứa tiết diện qua điểm khảo sát và vng góc với d - Giao tuyến mặt phẳng C với mặt phẳng PF là đường thẳng DE, với mặt đáy là đường thẳng GH Hình Biểu diễn góc trước lưỡi cắt - Góc trước là góc các đường thẳng DE và GH hay góc véc tơ , η Để tính toán, xác định góc trước  ta áp dụng phép tính vector Ta giả sử có thể dựng được hệ tọa độ ba trục vuông góc Okkbknk tại điểm khảo sát đường cong lưỡi cắt hình 2.9, đó: - Trục k tiếp tuyến với đường cong lưỡi cắt, chiều dương hướng phía mũi kéo - Trục nk pháp tuyến với mặt trước lưỡi cắt, chiều dương hướng ngoài - Trục bk tạo thành hệ tọa độ thuận, bk tiếp tuyến với mặt trước Mặt phẳng Okbknk là pháp diện lưỡi cắt tại điểm khảo sát 11 Các bước tính toán được thực hiện sau: - Các phương trình từ (2.8) đến (2.13) cho phép tính được các vector chỉ phương các trục k, d, η , nk, bk - Vì  vng góc với d ta nhận được hệ phương trình xác định  có dạng:   T k   T     cos        (2.13) - Khi thiết kế góc trước  được chọn và hệ (2.13) giải vector đơn vị chỉ phương  Hệ tọa độ Okkbknk đã nêu xác định đặc trưng hình học bề mặt tại điểm đường cong lưỡi cắt, có vector tiếp tuyến d xác định theo (2.8), (2.9) Vector chỉ phương nk, pháp tuyến với mặt trước, được xác định sau:  k    nk (2.14) Hay là:  nk   k    k 3  nk   nk     k 31   k 1        nk     k 1   k 1   (2.15) Vector chỉ phương bk, tiếp tuyến với mặt trước, được xác định:  bk   nk 2 k  nk 3 k  bk  bk    nk 3 k  nk 1 k        bk     nk 1 k  nk 2 k   (2.16) Việc biểu diễn mặt trước các phương trình giải tích, khá phức tạp nhiều phép biến đởi nên thường kết hợp rời rạc hóa tính toán bằng sớ Như thế, dù sớ điểm tính toán có thể rất lớn mặt trước được xác định vẫn là một mặt cong rời rạc điểm Ta gọi mặt trước là mặt cong giải tích-sớ, hoặc đơn giản là mặt cong số 2.2.2 Biểu diễn mặt sau lưỡi cắt kéo Mặt sau lưỡi cắt kéo là mặt vòng xuyến và ta còn gọi là mặt có dạng lòng mo Để biểu diễn được góc sau ta tìm hai đường thẳng Đường thẳng thứ nhất qua điểm khảo sát đường cong lưỡi cắt và là giao tuyến mặt phẳng cắt t và mặt phẳng qua điểm khảo sát và pháp tuyến với hình chiếu đường cong lưỡi cắt mặt phẳng đáy Oyz Đường thẳng thứ hai qua điểm khảo sát và là Hình 11 Biểu diễn góc sau α của lưỡi cắt giao tuyến mặt phẳng tiếp xúc với bề mặt vòng xuyến tại điểm khảo sát và mặt phẳng qua điểm khảo sát và pháp tuyến với hình chiếu đường cong lưỡi cắt mặt phẳng đáy Oyz Điểm khảo sát đường cong lưỡi cắt được xác định đã trình bày (hình 2.11), ta hãy tìm các vector chỉ phương hai đường thẳng này Từ các phương trình (2.22), (2.24) ta tính được vector chỉ phương bd Ći ta tính được góc sau lưỡi cắt kéo mở y tế đầu cong từ phương trình: cos  bd nd (2.25) 12 2.2.3 Tính tốn lựa chọn TSHH thiết kế kéo mổ y tế đầu cong Các thông số cần thiết để giải hệ phương trình (2.4) và nhận được biên dạng đường cong lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong là rc, xc, yc, re, rs, xe, ye, ze Mặt sau lưỡi cắt được xác định và biểu diễn bán kính vòng tròn tiết diện ngang vòng xuyến Góc trước , góc sau  lưỡi cắt xác định cho biểu diễn mặt trước và tìm mới liên hệ các thông số ,  với các thông số chế tạo là góc trước n xác định mặt phẳng pháp tuyến với đường cong lưỡi cắt và bán kính lòng mo rs Các thơng sớ nói là các thơng sớ thiết kế kéo Bằng việc khảo sát các thông số này và lựa chọn hợp lý ta thiết kế và chế tạo được kéo với yêu cầu kỹ thuật mong muốn 2.3 Xác định TSHH kéo kỹ thuật ngược 2.3.1 Khảo sát vẽ thiết kế kéo mổ y tế đầu cong 2.3.2 Quét kéo mẫu thiết kế ngược 2.3.2.1 Chọn kéo mẫu Khảo sát thực tế một số (5) kéo mẫu nhập ngoại (Đức và Pakistan) và sản xuất nước sử dụng phổ biến thị trường 2.3.2.2 Ứng dụng máy Scan ATOS-I-2M phần mềm GOM để quét đo kéo mẫu Bằng phương pháp quét và thiết kế ngược (Scan ATOS-I-2M và phần mềm Atos) đã khẳng định: Hệ phương trình mà tác giả đưa hoàn toàn có thể áp dụng chung cho các loại kéo, có thể xác định được các Hình 2.16 Sơ đồ quét kéo máy quét Scan thông số ban đầu kéo phù hợp với HPT ATOS-I-2M (2.4) Sau thiết kế có thể so sánh ngược lại với đám mây điểm đã quét thấy độ lệch mô hình CAD và đám mây điểm rất bé Sai lệch mơ hình khoảng  0.05 mm ( màu xanh lá cây) Xem hình 2.22 Hình 22 Hình ảnh đám mây điểm thiết kế ngược, so sánh kết quả thiết kế Tác giả đã dùng kỹ thuật ngược để khảo sát 05 mẫu kéo mổ y tế đầu cong phổ biến thị trường Bằng cách sử dụng phần mềm quét và thiết kế ngược chuyên dụng để khảo sát, tác giả đã xác định và chỉ được sự biến đổi thực tế các TSHH kéo mổ y tế đầu cong hệ phương trình đường cong lưỡi cắt (2.4) Các TSHH chúng biến đổi suốt chiều dài lưỡi cắt Tuy nhiên cùng với vị trí vòng xuyến ta có thể xác định được cung cong giới hạn lớn nhất, nhỏ nhất cho sự biến đổi đó Biểu đồ biểu diễn thông số lưỡi cắt vế phải kéo hình 2.24, 2.25 13 Hình 2.24, 2.25 Đồ thị thông số hình học kéo – kéo MetZenbaum 2.4 Đề xuất kéo mơ hình thí nghiệm Từ các phân tích các kéo mẫu khảo sát và TCVN kéo y tế có kết tương tự kéo 3, ḷn án chọn kéo mẫu thí nghiệm có hình dạng tương tự kéo Moayo 160 đầu cong với các TSHH là thông số phổ biến thị trường Kết luận chương Bằng việc phân tích hình dạng hình học các bề mặt tạo nên lưỡi cắt từ các kéo mẫu và ứng dụng kỹ thuật ngược, luận án đã: 1) Xây dựng được phương pháp mơ hình hoá lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong dạng giao tuyến mặt trụ với mặt xuyến cho phép thiết lập hệ phương trình xác định biên dạng đường cong lưỡi cắt (2.4), mặt khác thiết lập được các phương trình biểu diễn các thơng sớ khác góc trước, góc sau, mặt trước và mặt sau lưỡi cắt 2) Hệ phương trình (2.4) và các phương trình được thiết lập chứa tất các TSHH lưỡi kéo, cùng với giải tḥt và chương trình tính toán đã được thiết lập cho phép tính toán, xác định biên dạng và các TSHH lưỡi cắt các loại kéo với các kích thước và hình dạng khác Đó là sở khoa học quan trọng cho việc thiết kế lưỡi kéo; 3) Từ hệ phương trình toán học đã được thiết lập, cho phép điều chỉnh linh hoạt các TSHH lưỡi cắt quá trình gia công một cách nhanh chóng nhằm chế tạo được lưỡi kéo phù hợp yêu cầu thiết kế Đó là sở khoa học quan trọng cho việc lựa chọn phương pháp tạo hình lưỡi kéo luận án; 4) Nhờ ứng dụng kỹ thuật ngược đã xác định được bộ thông số lưỡi kéo và sự biến đổi chúng các kéo mẫu được sử dụng phổ biến tại Việt Nam (kéo mổ y tế đầu cong Moayo 160 (Nhà máy Y cụ – MEINFA), kéo Moayo Pakistan, kéo MetZenbaum Đức) Cho phép tìm bợ thơng sớ phù hợp để đưa vào làm thông số thiết kế và chế tạo kéo mẫu thí nghiệm tḥc ḷn án : Bán kính cong XOY RCL = RCR = 550 mm = const; bán kính cong lưỡi cắt vế trái RXL = 125 mm = const; còn vế phải RXR điều chỉnh khoảng 130  200 mm; bán kính long mo Rs = 145  175 mm; góc sau lưỡi cắt  3o, góc trước lưỡi cắt  = 20  30 o Đây là sở để tiến hành thực nghiệm mài và xác định TSHH lưỡi cắt kéo mẫu thí nghiệm chương 14 Chương NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP MÀI TẠO HÌNH LƯỠI CẮT KÉO MỔ Y TẾ ĐẦU CONG Để mài tạo hình lưỡi cắt, đá mài cần thực hiện các chuyển động theo phương để bám theo đường cong lưỡi cắt kéo; Ngoài ra, để tạo thành mặt trước, mặt sau tùy theo hình dạng đá, mà đá mài cần chuyển động quay quanh hoặc trục để tạo hướng tương đối đá mài và kéo, cho bề mặt đá tiếp xúc với bề mặt kéo mà không bị cắt lẹm Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng các thiết bị công nghệ cao NCS trình bày quá trình tính toán, mơ phỏng mài robot và máy CNC bao gồm: Thiết kế mơ hình robot, máy CNC dựa mơ hình thực, xây dựng giải tḥt tính toán và lập trình mơ phỏng quá trình mài 3.1 Các phương pháp mài thơng thường 3.1.1 Mài mặt sau a Phương án 1: Đá có biên dạng định hình Rđ = Rs và mài theo phương pháp định hình b Phương án 2: Trục đá nằm mặt phẳng mang kéo và song song với trục Oy Khi Rđ = Rm; Nếu Rđ < Rm ta xoay trục đá góc và kéo có thêm chuyển động lắc 3.1.2 Mài mặt trước: Được thực hiện bằng tay (tựa theo bề mặt kéo đã dập với lượng dư mài thô + tinh khoảng 0,2mm) Như đã nêu trên, lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong, cong chiều vậy phương pháp mài phải tạo cho đá và kéo có chủn đợng tạo vị trí và chủn đợng tạo hướng Các chuyển động đó có thể được thực hiện bằng tay máy mài đá hoặc đá đĩa… song chất lượng tạo hình khơng ởn định, khó đảm bảo đợ xác, … Vì vậy cần cải tiến mài máy công nghệ cao robot hoặc máy CNC 3.2 Các phương pháp mài robot Bằng việc ứng dụng robot cho trình mài giúp đảm bảo lưỡi cắt hình thành với các thơng sớ kỹ thuật đã đặt ra: không bị đá cắt lẹm, góc cắt xác và lưỡi đủ sắc để làm việc Hơn nữa, sử dụng robot là phù hợp xu hướng tăng khả khai thác các thành tựu khoa học công nghệ và thiết bị công nghệ tiên tiến, nâng cao chất lượng, tăng suất làm việc, giảm chi phí chế tạo 3.2.1 Mài robot bậc tự Robot bậc tự cho khả chuyển động khâu thao tác đạt được vị trí và hướng bất kỳ vùng làm việc nó 3.2.1.1 Phương pháp tam diện trùng theo Gắn vào các đối tượng này các hệ tọa độ phù hợp (hình 3.4) Trên đường dụng cụ đới tượng được gia công, tại điểm ta gắn một hệ tọa độ trục vuông góc OFxFyFzF: Hình Hệ tọa độ của dụng - OF nằm đường dụng cụ cụ chi tiết gia công [38] - OFxF là trục tiếp tuyến đường dụng cụ - OFzF là trục pháp tuyến, thường là pháp tuyến với bề mặt gia công - OFyF là trục trùng pháp tuyến, tạo thành hệ tọa độ thuận Áp dụng phương pháp tam diện trùng theo (Accompanying trihedron) [4, ,6], ta sử dụng mợt hệ tọa đợ biểu diễn đặc trưng hình học lưỡi cắt, ký hiệu là OkXkYkZk, gốc tại các điểm đường cong lưỡi cắt với các tọa độ là xk, yk, zk hệ tọa độ kéo Hướng hệ OkXkYkZk được xác định cho có một trục, chẳng hạn chọn trục Xk là tiếp tuyến đường cong lưỡi cắt Trục Zk là pháp tuyến đường cong, và là trục pháp tuyến trước mặt cắt pháp tuyến 15 đường cong lưỡi cắt kéo mài mặt trước và là trục pháp tuyến sau mài mặt sau kéo Trục Yk xác định theo quy tắc hệ tọa độ thuận Quá trình tiếp xúc gia cơng bề mặt dụng cụ cắt lên bề mặt được gia công được thực hiện với điều kiện trùng (3.1) để chi tiết không bị cắt lẹm ( 3.1) OE xE yE zE  OF xF yF zF Hình 3.7; 3.8; 3.9 Tam diện trùng theo của lưỡi kéo Hệ tọa độ OkXkYkZk biểu diễn đặc trưng hình học lưỡi cắt và được gọi tam diện trùng theo lưỡi kéo, có thể biểu diễn hệ tọa độ kéo OdXdYdZd ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất dApk d Apk  c11k c   21k  c31k   c12 k c22 k c32 k c13k c23k c33k xk  yk   zk    (3.2) Các phần tử ma trận dApk gồm tọa độ các điểm lưỡi cắt xk, yk, zk, phần tử cijk ma trận cosin chỉ hướng được tính từ hệ phương trình xác định lưỡi cắt (1), ,(4), và góc trước , hoặc góc sau  Gọi hệ tọa đợ sở (toàn thể) O0X0Y0Z0, nếu biểu diễn hệ tọa độ lưỡi kéo hệ tọa độ sở ma trận 0Ad, ta có biểu diễn tam diện trùng theo lưỡi kéo hệ tọa độ sở: rpk  C pk (3.3) Apk  Ad d Apk    T   Đặc trưng hình học lưỡi cắt đá mài là tam diện trùng theo OEXEYEZE, gọi tam diện đá mài Ở gốc tam diện, một điểm quy ước chọn đường biên dạng đá mài Gốc tam diện được chọn tại một điểm đường tròn Trục XE tiếp tuyến với đường tròn, trục ZE theo đường sinh mặt trụ, trục YE xác định theo quy tắc hệ tọa đợ tḥn Hình 3.11 Đá mài hình trụ, hình côn tròn Tại các điểm đường cong lưỡi kéo, trạng thái (vị trí và hướng) tam diện đá mài thực hiện thao tác công nghệ lên đối tượng gia công được biểu diễn hệ tọa độ sở ma trận 0AEk có dạng (chỉ sớ k biểu diễn các điểm đường cong LC): 16 AEk  cEk 11 c   Ek 21  cEk 31   CEk AEk   T 0 cEk 12 cEk 22 cEk 32 cEk 13 cEk 23 cEk 33 xEk  y Ek  , z Ek    rEk    (3.4) Điều kiện đó cho phép nhận được hệ thức ràng buộc phần tử ma trận 0Apk 0AEk, dạng:   p j ( rpk , rEk )  0,    g n (C pk , CEk )  (3.5) Tùy thuộc số bậc tự robot và điều kiện kỹ thuật thao tác công nghệ, j=13 ứng với các điều kiện vị trí, n=13 ứng với các điều kiện hướng Để đảm bảo tạo hình lưỡi kéo không cắt lẹm, yêu cầu kỹ thuật q trình gia cơng tam diện OEkXEkYEkZEk đá mài và tam diện lưỡi cắt OkXkYkZk trùng tại điểm đường cong lưỡi cắt kéo Như vậy, hệ (3.5) gồm phương trình đó phương trình đầu biểu diễn quan hệ vị trí gớc hệ tọa đợ, phương trình ći biểu diễn hướng Để đá mài đạt được vị trí và hướng thỏa mãn hệ phương trình (3.5), tam diện đá cần có bậc tự chủn đợng, vậy robot mang di chuyển đá phải có bậc tự 3.2.1.2 Lựa chọn phương án lập trình mài kéo mổ y tế đầu cong Có phương án mài kéo robot thông thường: Chi tiết (CT) đứng yên, đá thực hiện các chuyển động (CĐ) mài (Đá đĩa), Ngược lại đá đứng yên, CT chuyển động; Đá trụ CĐ , CT đứng yên Luận án lựa chọn phương án chi tiết đứng yên, đá thực hiện các chủn đợng mài tạo hình 3.2.1.3 Lập trình mài robot bậc tự a Phương trình động học robot (PA3) Luận án sử dụng robot hàn bậc tự để cho trình mài lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong được nghiên cứu Trên hình 3.17 chỉ cấu trúc đợng học các loại robot gia cơng khí có dạng hình 3.17 Áp dụng phương pháp Denavit-Hartenberg (DH), các hệ tọa độ khâu và hệ tọa độ sở được xây dựng Bảng 3.1 chỉ các tham sớ đợng học DH Hình 17 Cấu trúc đợng học, Bảng 3.1 Tham số động học DH hệ tọa độ của robot bậc tự Joint i 1 2 3 di i Joint d1 a1 1 d2 a2 i 4 5 6 di d4 i 5 4 3 d3 a3 d6 a6 Áp dụng ma trận biến đởi tọa đợ th̀n nhất DH ta tính được các ma trận truyền biến đổi tọa độ thuần nhất chuỗi động học robot 0A1(q1), 1A2(q2), , 5A6(q6) Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất 0AE(q) khâu thao tác được xác định bởi: 17 AE ( q)  A6 ( q)  A1 ( q1 ) A6 ( q6 ) (3.6) (3.7) q   q1 , q2 , , q6   1 ,  , ,   là vector tọa độ khớp robot Bằng cách biểu diễn vậy, từ hệ phương trình (3.11), nhận được hệ phương trình đợng học robot với rpk (t), Cpk (t) T Với: T  p j  rpk  t  , q   0,     g n  C pk  t  , q   0, j  1, 2,3 (3.8) n  1, 2,3 b Quỹ đạo chuyển động của robot Trước hết ta chọn hệ tọa đợ bàn máy kẹp chi tiết gia cơng, là hệ tọa độ lưỡi kéo, ký hiệu OdXdYdZd, xác định hệ tọa độ sở các tham số x d, yd, zd, rotx, roty, royz Với các tham sớ này, ma trận 0Ad tính được Để các phần tử ma trận dApk tính được theo các hệ phương trình các góc trước , hoặc góc sau , hệ tọa độ kéo OdXdYdZd, ta cho các tọa đợ tâm mặt trụ và bán kính mặt trụ xc, yc, zc, rc, tâm mặt xuyến và bán kính vòng xuyến x e, ye, ze, re, bán kính vịng trịn mặt xún rs Với các tham sớ đã tính được giải hệ phương trình đợng học robot (3.8) ta tính được quỹ đạo chủn đợng robot 3.2.1.4 Kết quả tính toán và mơ a Các thơng sớ tính tốn Bảng 3.3 Bảng giá trị tham số động học DH Joint i  i Joint  i i di di 0,415 0,160 90 -900  -0,680 1 2 3 0,040 0,580 -0,040 0,125 900 5 6 0 900 -0,348 -0,020 Bảng 3.4 Tham số định vị hệ tọa độ kéo xd yd zd rotx roty royz 1.0 0,065 0 5/18 Bảng 3.5 Tọa độ tâm bán kính mặt trụ xc yc zc rc -0.54372 -0,01735 0,55 Bảng 3.6 Tọa độ tâm, bán kính vòng xuyến bán kính vòng tròn tiết diện mặt xuyến xe ye ze re rs 0,012 0,1642 0,1652 0,175 Đơn vị các giá trị dài là mét (m) Vận tốc (ăn dao) mài cho v r = 0.3m/s Vận tốc mài Vc khoảng 30m/s b Kết quả: Hình 3.18 Biên dạng đường cong lưỡi cắt của kéo Hình 3.19 Vị trí khâu theo thời gian (s) 18 Biên dạng đường cong lưỡi cắt kéo hệ tọa độ kéo được thể hiện hình 3.20 Đơn vị các trục tọa độ là mm Hình 21, 3.22 Mô phỏng mài mặt trước, mặt sau lưỡi cắt Robot trục 3.2.2 Mài robot bậc tự Mài bằng robot bậc tự đòi hỏi phải lắp thêm khâu một đầu đá phụ được dẫn động riêng làm cho kết cấu phức tạp và tính cứng vững bị giảm, Vì vậy tác giả đề xuất phương án mài lưỡi cắt bằng robot bậc tự do, có độ cứng vững và kết cấu đơn giản Do thay khâu bằng trục đá mài (hình 3.23) Các tính toán mơ phỏng tương tự mài bằng robot bậc tự Điểm khác là thay TSĐH khâu bằng thông số đá mài Hình 23 Mô hình tiếp xúc lưỡi kéo bề mặt đá Hình 27, 3.28 Mô phỏng trình mài mặt trước, mặt sau của lưỡi cắt của kéo trái robot trục 3.2.3 Mài robot tác hợp Hệ robot tác hợp (Mechanism of Relative Maipulation MRM) [6,7,16,17,37] được giới thiệu (Hình 3.29) gồm mợt robot dụng cụ ba bậc tự kết hợp với robot đồ gá hai bậc tự mang chi tiết gia công robot dụng cụ ba bậc tự với hai bậc tự quay, bậc tự thứ ba là chuyển động tịnh tiến khâu thứ ba mang đá mài robot đồ gá gồm hai bậc tự quay quanh hai trục vuông góc với để tạo hướng cho bề mặt mài Lưỡi kéo được kẹp chặt vào mâm kẹp là một khâu robot đồ gá Nguyên tắc mài là đá di chuyển dọc theo quỹ đạo là đường lưỡi kéo để thực hiện quá trình mài mặt trước, mặt sau LC Hình 29 Mô hình mài lưỡi kéo robot tác hợp Với cùng thông số đầu vào, cho kết đầu giống mài robot 6, bậc tự (hình 3.31), hình 3.32 là vị trí chủn đợng các khâu robot tác hợp 19 Bảng 30 Biên dạng đường cong lưỡi cắt mài robot tác hợp Bảng 31 Vị trí khâu theo thời gian t(s) 3.3 Mài trung tâm gia công CNC Có thể coi máy phay CNC tương tự robot tác hợp trục Hình 33 Mơ hình mài lưỡi kéo máy CNC Trên hình 3.33 giới thiệu mơ hình cấu trúc máy CNC năm trục thơng dụng với đầu dụng cụ có ba chuyển động tịnh tiến ứng với ba bậc tự và bàn máy động có hai chuyển động quay quanh hai trục vuông góc với Phương pháp khảo sát, tính toán giớng với robot tác hợp Khi sử dụng robot, máy CNC (5 trục trở lên) tạo hình lưỡi cắt, có thể làm thay đổi bất kỳ thông số nào lưỡi cắt để phù hợp với yêu cầu một cách linh hoạt, nhanh chóng mà thay đổi đồ gá và thiết bị Kết luận chương 1) Từ sở phân tích chủn đợng tạo hình tạo nên lưỡi kéo và việc chỉ các tồn tại các phương pháp mài tinh lưỡi kéo bằng công nghệ truyền thống, luận án đã phát triển một số thiết bị gia công có chuyển động phức tạp như: robot 5, bậc tự do, robot tác hợp và máy CNC trục có sử dụng phương pháp tam diện trùng theo để mài tinh lưỡi kéo với các TSHH kéo mẫu thí nghiệm được đề xuất chương 2) Từ phương pháp tạo hình đã được xây dựng, chương đã sử dụng các phần mềm phù hợp để tính toán, lập trình thiết kế quĩ đạo chủn đợng và mơ phỏng quá trình mài tạo hình lưỡi kéo các máy công nghệ cao 3) Các chương trình đã được xây dựng cho phép tính toán và xác định các phương pháp điều chỉnh TSHH lưỡi kéo một cách linh hoạt quá trình gia cơng, từ đó dễ dàng điều khiển chuyển động dụng cụ một cách linh hoạt để tạo lưỡi cắt có TSHH theo yêu cầu, tạo điều kiện cải thiện tính cắt sắc, hướng tới cải thiện chất lượng làm việc kéo 4) Kết nghiên cứu tại chương tạo sở khoa học cho việc thực nghiệm mài tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong chương 20 Chương THỰC NGHIỆM TẠO MÀI HÌNH LƯỠI CẮT, ĐO LỰC CẮT KÉO MỔ Y TẾ ĐẦU CONG Nhằm chứng minh sự phù hợp hệ phương trình (2.4) xác định đường cong lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong; Tính đắn phương pháp tạo hình các bề mặt tạo nên lưỡi cắt; Sự khác biệt lực cắt kéo kéo mẫu thí nghiệm được mài theo luận án với một số kéo mẫu thị trường, từ đó xác định phương án cải thiện tính cắt sắc kéo, hướng tới cải thiện chất lượng làm việc kéo 4.1 Thiết kế kéo mẫu thí nghiệm 4.1.1 Lựa chọn mẫu kéo mẫu thí nghiệm 4.1.2 TSHH kéo mẫu thí nghiệm TSHH kéo mẫu thí nghiệm được cho sau: a Lưỡi cắt trái 25.160.125 (góc trước  = 25°, bán kính lòng mo Rm 160mm, bán kính xuyến Rx 125mm) Cung r mặt trước, mặt sau r ≤ 0.02mm Hình 4.2 Phôi kéo mẫu thí nghiệm b Lưỡi cắt phải 25.160.165 (góc trước  = 25°, bán kính lòng mo Rm 160mm, bán kính xuyến Rx 165mm) Cung r mặt trước, mặt sau r ≤ 0.02mm 4.2 Thực nghiệm mài lưỡi cắt 4.2.1 Ch̉n bị thí nghiệm 4.2.1.1 Ch̉n bị phơi kéo mẫu thí nghiệm Phơi kéo mẫu thí nghiệm là kéo bán tinh được mua thị trường còn đủ lượng dư để mài tạo hình lưỡi cắt theo các thơng sớ mục 4.1.2 4.2.1.2 Tiến trình gia công lưỡi cắt của kéo - Gia công mặt trụ Rc máy phay CNC; - Mài bán tinh lòng mo đảm bảo bán kính Rs (để lượng dư 0,1mm); - Mài mặt trước đảm bảo góc trước  (hình 4.10) robot - Mài lòng mo đảm bảo bán kính Rs; Hình 4.10 Sơ đồ mài kéo robot OTC Hình 4.6 Sơ đồ mài lòng mo Rm AII-V6 Mặt trước lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong là mặt cong số, tại điểm lưỡi cắt thay đổi vị trí và hướng Để mài được mặt trước lưỡi cắt ta cần chia đường cong lưỡi cắt thành N điểm Tại điểm có một trị sớ x, y, z, , ϴ tương ứng Chương trình mang đầu đá thực hiện chuyển động mài theo yêu cầu 4.2.1.3 Gia công mặt trụ Rc 4.2.1.4 Mài mặt sau (lòng mo) 4.2.1.5 Mài mặt trước 4.3 Ứng dụng kỹ thuật ngược kiểm tra kéo mẫu thí nghiệm 4.3.1 Quan sát mắt đo dưỡng cong: Đường cong lưỡi cắt sn đều, khít dưỡng, khe hở đều, vết cắt ngọt, cắt gạc lớp không rút sợi, cảm giác cắt nhẹ, không nhay trượt … đạt yêu cầu kỹ thuật 4.3.2 Kết quét thiết kế ngược 21 Kết quét kéo mẫu thí nghiệm được chỉ hình 4.14, 4.15 thể hiện sai sớ mặt sau lưỡi cắt và đường cong lưỡi cắt vế phải kéo có màu xanh nhạt đến xanh dương nằm miền sai số từ – 0.04mm  0.02 mm Sử dụng kỹ thuật thiết kế ngược ta xác định được giá trị thực góc trước, góc sau, bán kính cong lưỡi cắt được cho các bảng 4.6– 4.9, các kích thước theo phương z, x lưỡi kéo xem hình 4.16 và 4.18, đồ thị sai sớ hình 4.17 và 4.19 Hình 16 Tọa độ điểm lưỡi cắt sau thiết kế Hình 18 Tọa độ điểm lưỡi cắt sau thiết kế ngược vế trái kéo mẫu thí nghiệm 25.160.125 ngược vế phải kéo mẫu thí nghiệm 25.160.165 Hình 4.17 Biểu đồ so sánh chênh lệch kích thước thiết kế kích thước thực theo phương z x của vế trái mẫu kéo mẫu thí nghiệm Hình 19 Biểu đồ so sánh chênh lệch kích thước thiết kế kích thước thực theo phương z , x của vế phải mẫu kéo mẫu thí nghiệm 4.4 Thực nghiệm đo lực cắt 4.4.1 Cơ sở lý thuyết đo lực cắt kéo mổ đầu cong 22 4.4.2 Điều kiện thực nghiệm đo lực cắt 4.4.3 Thiết kế trang thiết bị đo lực cắt Sơ đồ khối đo lực: Toàn bộ phần cứng hệ thớng được thiết lập, hình 4.22 Gồm đồ gá , kéo, cảm biến đo lực FUTEK, Bộ khuếch đai, Màn hình hiển thị, phần mềm Dasylab Đồ gá và Kéo Cáp bọc DASYLab 11.0 USB Hình 4.24 Sơ đồ khối phần cứng hệ thống đo lực ba chiều 4.4.4 Thí nghiệm đo lực cắt + Dùng các kéo thí nghiệm lắp thiết bị đo lực cắt và cùng cắt một mẫu vật liệu thay thế Dùng phần mềm Dasylab để ghi và xử lý kết đo, hình 4.26- 4.28 Hình 26 Lực cắt của kéo mẫu Hình 4.27 Lực cắt thí nghiệm MetZenbaum 160 (Đức) Bảng Bảng so sánh lực cắt của loại kéo STT Loại kéo Kéo mẫu TN MetZenbaum Kéo Pakistan Góc trước º 25 20 Bán kính lịng mo Rs 160 160 160 Bán kính cong Xuyến RX 125/165 107/115 125/165 kéo Hình 4.28 Lực cắt kéo moayo 160 (Pakistan 2.3) Fx -1.19 0.94 -1.40 F (max) (N) Fy Fz 12.89 16.14 19.01 13.88 16.48 51.11 F tổng 18.98 23.09 54.55 Hình 30 Biểu đồ so sánh lực cắt kéo mẫu thí nghiệm với loại kéo khác Từ giá trị tổng hợp lực cắt bảng 4.15, ta vẽ được biểu đồ so sánh hình 4.30 23 Kết luận chương 1) Kỹ thuật thiết kế ngược chế tạo khí áp dụng để xác định và kiểm tra các thơng sớ thiết kế kéo mẫu thí nghiệm luận án là có tính thời sự quá trình phát triển lĩnh vực CAD/CAM nước ta; 2) Sử dụng các kết nghiên cứu gồm hệ phương trình lý thút (2.4) và tích hợp điều khiển tự đợng bằng các chương trình máy tính điều khiển quá trình mài chương các phần mềm thương mại vào thực nghiệm mài mặt bên và lòng mo kéo mổ y tế đầu cong bằng robot và máy CNC cho thấy chất lượng kéo mẫu chế thử luận án đạt các yêu cầu kỹ thuật thiết kế, điều đó một lần chứng minh sự phù hợp phương pháp mài tạo hình lưỡi kéo mà luận án đề 3) Kết thực nghiệm và xác định tiêu chí tính cắt sắc kéo được cải thiện thông qua việc đo lực cắt mẫu kéo Việt Nam, Đức và Pakistan có đặc tính kỹ thuật khác cho bảng 4.15 cho thấy: - Đồ thị đo lực cắt loại kéo cùng mợt bán kính lòng mo (Rs) khảo sát theo phương đồng dạng với nhau, đó lực cắt theo phương (Fz) thay đởi theo quy luật trơn và đồng đều, từ biến dạng đàn hồi  biến dạng dẻo  phá hủy; - Giá trị lớn nhất lực cắt theo phương Oz (Fz) và lực cắt tổng hợp (F) có xu hướng tăng tỷ lệ nghịch với chiều giảm góc trước lưỡi cắt () Như vậy, có thể tăng góc trước kéo để làm giảm lực cắt, từ đó cải thiện tính cắt sắc kéo, hướng tới cải thiện chất lượng làm việc kéo KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Từ việc nghiên cứu lý thuyết tạo hình các bề mặt phức tạp; cấu tạo và phương pháp sản xuất kéo mổ y tế đầu cong, phương pháp đo lực cắt kéo nước và thế giới để ứng dụng vào mài tạo hình lưỡi cắt máy cơng nghệ cao, xác định TSHH và đo lực cắt kéo mẫu thí nghiệm, luận án đã đạt được một số kết sau: 1) Đã tìm Phương pháp toán học mơ hình hóa lưỡi cắt kéo mở y tế đầu cong bao gồm các phương trình xác định đường cong lưỡi cắt, các phương trình biểu diễn góc trước, góc sau, mặt trước và mặt sau lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong, tạo sở khoa học cho việc thiết kế, mô phỏng và thực nghiệm mài tự động lưỡi cắt các máy công nghệ cao; 2) Đã sử dụng kỹ thuật ngược để xác định các thơng sớ phương trình (2.4) và tham khảo bộ TSHH lưỡi kéo (do CHLB Đức, Pakistan và Việt Nam sản xuất) được sử dụng phổ biến tại Việt Nam, làm thông số tham khảo để thiết kế cho kéo mẫu thí nghiệm 3) Đề xuất sử dụng robot và máy CNC từ 5, bậc tự thực hiện gia cơng mài tạo hình tự động lưỡi cắt; quỹ đạo chuyển động gia công tạo hình được thiết lập cho phép áp dụng gia công bằng robot và máy CNC 4) Giải thuật và chương trình máy tính cho phép tính toán xác định TSHH lưỡi cắt kéo; mô phỏng quá trình mài tự đợng mặt trước, mặt sau lưỡi kéo các thiết bị công nghệ tiên tiến robot và máy CNC; cho phép điều khiển linh hoạt để mài tạo hình lưỡi kéo với TSHH mong ḿn 5) Các phương pháp thực nghiệm: Quy trình mài lưỡi cắt kéo mẫu thí nghiệm robot trục; Phương pháp xác định TSHH lưỡi cắt kéo thực bằng kỹ thuật 24 ngược; Phương pháp đo lực cắt theo phương x, y, z bằng đồ gá chuyên dùng, tích hợp các cảm biến đo lực Ngoài đã nghiên cứu và thực nghiệm đo được lực cắt theo phương không gian chiều Fx, Fy, Fz, lực cắt tổng hợp Fmax và so sánh được lực cắt kéo mẫu thí nghiệm sau mài với lực cắt kéo mẫu ngoại nhập (của CHLB Đức & Pakistan), kết cho thấy : - Đồ thị đo lực cắt loại kéo cùng một bán kính lòng mo (Rs) khảo sát theo phương đồng dạng với nhau, đó lực cắt (Fz) thay đổi theo quy luật trơn và đồng đều, bắt đầu từ biến dạng đàn hồi  biến dạng dẻo  kết thúc là phá hủy vật liệu cắt; - Giá trị lớn nhất lực cắt theo phương Oz (Fz) và lực cắt tổng hợp (F) có xu hướng tăng tỷ lệ nghịch theo chiều giảm góc trước lưỡi cắt (), đó là nguyên nhân để kéo mẫu thí nghiệm ḷn án được mài tự đợng lưỡi cắt với góc trước lớn nhất ( = 25 o ) so với kéo Đức ( = 20 o) kéo Pakistan ( = o) có lực cắt nhỏ nhất, cụ thể: + Kéo Việt Nam ( = 25 o; Rs = 160 mm; Rx = 125/165 mm): Fmax = 18,98 N; + Kéo Metzenbaum Đức ( o = 20 o; Rs = 160 mm; Rx = 107/115 mm): Fmax = 23,09 N; + Kéo Moayo Pakistan ( = 5o; Rs = 160 mm; Rx = 125/165 mm): Fmax = 54,55 N Các kết đã chứng minh kéo mẫu thí nghiệm sau mài đáp ứng được mong ḿn cải thiện tính cắt, từ đó hướng tới cải thiện được chất lượng làm việc kéo Các đóng góp luận án là tài liệu tham khảo việc tính toán thiết kế và lựa chọn giải pháp cơng nghệ tạo hình các bề mặt cong phức tạp nói chung và kéo mổ y tế đầu cong nói riêng, từng bước làm chủ công nghệ mài tạo hình lưỡi cắt kéo mở y tế đầu cong nhằm nâng cao chất lượng làm việc kéo sản xuất nước, thay thế kéo nhập ngoại Kiến nghị hướng nghiên cứu - Cần có các thiết bị công nghệ cao chuyên dùng cho mài robot hoặc máy CNC 5, bậc tự để nghiên cứu thực nghiệm, chế tạo được kéo đủ tiêu chuẩn đưa vào sử dụng Trên sở đó có thể áp dụng các kết luận án để nghiên cứu bài toán tối ưu, khảo sát ảnh hưởng các TSHH (Bán kính cong, góc đợ, đợ bóng ) kéo đến chất lượng làm việc kéo - Cần có sở vật chất, tài chính, với trang thiết bị công nghệ cao cho phép nghiên cứu nhằm phân loại các mẫu kéo với các TSHH tương ứng phù hợp mục đích sử dụng Từ đó thiết lập được thông số thiết kế cho các loại kéo và thiếp lập được các quỹ đạo chuyển đợng tạo hình tương ứng phù hợp - Các phần mềm có thể hoàn thiện đóng gói để dễ dàng áp dụng và hướng tới tạo phần mềm thương mại là một hướng nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn % 25 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Phan Bùi Khôi, Lê Văn Thắm, Bùi Ngọc Tuyên (2013) Nghiên cứu Lực cắt của Kéo mổ y tế biện pháp cải thiện chất lượng làm việc của Kéo; Kỷ yếu hội nghị Cơ khí toàn q́c lần thứ 3, 2013 Phan Bùi Khôi, Bùi Ngọc Tuyên, Lê Văn Thắm (2015) Mô hình hóa hình học lưỡi cắt của Kéo mổ y tế đầu cong, Tạp chí khoa học cơng nghệ 109(2015) 061-066; Lê Văn Thắm, Phan Bùi Khôi, Bùi Ngọc Tuyên, Cù Xuân Hùng, Nguyễn Đức Toàn (2016) Thiết kế quĩ đạo chuyển động của Robot ứng dụng mài kéo mổ y tế đầu cong, Kỷ yếu hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ Cơ kỹ thuật và tự động hóa, ngày 7-8 tháng 10 năm 2016, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, trang 467-473; Phan Bui Khoi, Le Van Tham, Bui Ngoc Tuyen, Do Duc Trung (2017) Application of the 5-dof robot for grinding the cutting blade of the curved-tip medical surgical scissor, American Journal of Engineering Research (AJER) 2017 American Journal of Engineering Research (AJER) e-ISSN: 2320-0847 p-ISSN : 2320-0936 Volume-6, Issue8, pp-103-111 www.ajer.org Research Paper Open Access Phan Bui Khoi, Le Van Tham, Bui Ngoc Tuyen, Về một giải pháp mài lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong Robot tác hợp (2017) Tủn tập cơng trình khoa học, Hợi nghị học toàn quốc lần thứ X, ngày 8-9/12/2017, Tập Động lực học và điều khiển, Cơ học máy, Nhà xuất Khoa học tự nhiên và Công nghệ, trang 1013 -1026 (Đã thẩm định được chấp nhận đăng)  ... cứu tạo hình lưỡi cắt kéo 1.3 Khái quát tạo hình lưỡi cắt, cơng nghệ chế tạo kéo mổ y tế đầu cong 1.3.1 Khái quát tạo hình lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong Việc chế tạo kéo tạo hình lưỡi... PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH LƯỠI CẮT KÉO MỔ Y TẾ ĐẦU CONG 1.1 Giới thiệu kéo mổ y tế đầu cong Đầu Kéo 1.1.1 Khái niệm, công dụng kéo mổ y tế đầu cong Mang - Kéo là một loại dụng cụ dùng... chọn TSHH cho kéo được thiết kế 2.1 Phương trình đường cong lưỡi cắt kéo mổ y tế đầu cong 2.1.1 Hệ tọa đợ khảo sát Trên hình 2.1 dẫn hệ tọa độ khảo sát Oxyz - Trục x, y nằm mặt phẳng