Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ thiết kế ngược để xây dựng mô hình CAD 3D của cặp rôto trục vít trong máy nén khí

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thiết kế ngược để xây dựng mơ hình CAD 3D cặp rơto trục vít máy nén khí Researching and applying reverse engineering technology to build CAD 3D model of screw rotors in air compressor s Trần Thế Văn*, Đỗ Anh Tuấn Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên *Email: vanct4.hut@gmail.com Tel: +84-221.3.713.519; Mobile: 0904162701 Tóm tắt Từ khóa: Máy nén trục vít; Rơto trục vít; Sai số; Thiết kế ngược Máy nén khí trục vít phun dầu thường sử dụng để nén khơng khí làm lạnh bơi trơn dầu Cặp rơto trục vít máy nén khí chi tiết quan trọng định đến hiệu làm việc máy Việc xây dựng mơ hình CAD 3D cặp rơto trục vít từ phương trình tốn thường khó khắn nhiều thời gian Vì báo đề xuất phương pháp cho phép xây dựng mơ hình CAD 3D rơto trục vít dựa cơng nghệ thiết kế ngược Sai số mơ hình 3D rơto trục vít xây dựng kiểm tra đánh giá với liệu điểm qt Mơ hình 3D rơto trục vít in máy in để chứng minh mơ hình rơto trục vít xây dựng xác Abstract Keywords: Twin screw compressor; Screw rotor; Tolerance;Reverse engineering The oil-injected twin screw compressors are usually used to compress air or refrigerant, and lubricated by oil The screw rotors are the most important element in compressor,determining the efficiency of the compressor Establishing a 3D CAD model of screw rotor from a mathematical equation is often difficult and time-consuming Therefore, this paper proposes a method to construct 3D CAD model of screw rotors based on the reverse engineering technology The tolerance of constructed 3D model is tested and evaluated with the scan point data 3D model of rotors are printed on 3D printer to verify the authenticity of built 3D rotor models Ngày nhận bài: 14/7/2018 Ngày nhận sửa: 07/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 GIỚI THIỆU Kỹ thuật ngược thường sử dụng Thế chiến thứ hai Chiến tranh Lạnh Nó thường sử dụng quân đội để chép công nghệ, thiết bị thông tin quốc gia khác, phần nó, thu thập quân đội thường xuyên lĩnh vực hoạt động tình báo Trong vài năm gần đây, cơng suất tính tốn, nhớ máy tính thiết bị quét không tiếp xúc cải tiến đáng kể, liệu hình học khơng liên tục HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 trở nên quan trọng việc thiết kế, sản xuất bảo đảm chất lượng Trong năm vừa qua, tác động kỹ thuật ngược ngành sản xuất ngày tăng đóng vai trị quan trọng việc thúc đẩy phát triển công nghiệp cách giới thiệu sản phẩm có giá trị kích thích cạnh tranh Kỹ thuật ngược q trình xây dựng mơ hình hình học CAD từ liệu đo thực kỹ thuật quét tiếp xúc không tiếp xúc mơ hình vật lý có (Liang & Grier, 2000) Kỹ thuật ngược ban đầu xuất để đáp ứng yêu cầu cung cấp phụ tùng thay cho phận bị hỏng mòn mà khơng có liệu kỹ thuật Điều xảy phụ tùng khơng có vẽ vẽ bị thất lạc bị Tái cấu trúc lại phận kỹ thuật ngược lựa chọn tốn so với việc tái nhập khẩu, không để thay mà tạo thêm phụ tùng trì sản phẩm thời gian dài Dữ liệu mơ hình bề mặt khơng thể thiếu nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật Ví dụ, việc thiết kế sản xuất loại xe, chẳng hạn xe máy bay, thực khơng có cơng cụ CAD mơ dự đoán đặc trưng sản phẩm Việc xây dựng lại liệu đám mây điểm thường thực thiết bị quét máy quét laser Sau quét điểm lấy mẫu kết hợp thành đám mây điểm Từ thu liệu điểm bề mặt cần xây dựng (Pal cộng sự, 2005) Gần đây, số phương pháp trình bày để cải thiện việc tạo hình biên dạng rotor Cụ thể, Zaytsev Infante Ferreira [6] đề xuất phương pháp tạo hình biên dạng rotor từ đường ăn khớp gồm đường thẳng cung trịn Wu Fong [7] xây dựng mơ hình tốn học hình biên dạng rotor dựa đường làm việc cubic-spline điều khiển dịch chuyển đoạn sử dụng phương trình bậc hai để cải thiện hiệu suất máy nén khí Trước đó, Chen [3] sáng chế máy nén trục vít với rotor có biên dạng giúp tăng hiệu suất máy nén giảm tổn thất trình làm việc ăn khớp rotor Stosic cộng [8] trình bày thiết kế cho máy nén khí có hiệu suất cao với biên dạng rotor Gần đây, Wu cộng [9] trình bày phương pháp phần tử hữu hạn 3D cho phép tính tốn tải trọng máy nén cách tích hợp lực mô mem nút phần tử rotor Việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo cặp trục vít máy nén khí địi hỏi phải nghiên cứu tỷ mỉ, xác nhằm đáp ứng độ xác gia cơng hiệu suất làm việc máy nén khí Với phương pháp tính tốn truyền thống khó khăn nhiều khơng thể thực Ứng dụng kỹ thuật ngược thiết kế giải pháp kỹ thuật hữu hiệu giúp cho nhà thiết kế, sản xuất nhanh chóng tạo thiết kế có độ xác cao, lựa chọn phù hợp với nước chậm phát triển, khoa học, kỹ thuật nhiều hạn chế, yếu Chính việc nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật ngược thiết kế cần thiết hiệu mang lại to lớn từ công nghệ MƠ HÌNH HĨA CẶP ROTOR TRỤC VÍT THEO CƠNG NGHỆ THIẾT KẾ NGƯỢC 2.1 Số hóa cặp rotor Đầu tiên chọn chiến lược quét, chọn kỹ thuật quét xác, chuẩn bị phần quét thực quét thực tế để nắm bắt thông tin mô tả tất đặc tính hình học đối tượng quét bước, khe, túi lỗ Máy quét ba chiều sử dụng để quét hình học phần, tạo đám mây điểm xác định hình học bề mặt Các thiết bị qt có sẵn dạng công cụ chuyên dụng tiện ích bổ sung cho máy cơng cụ điều khiển số (CNC) máy tính có Có hai loại máy quét khác nhau, tiếp xúc không tiếp xúc Trong báo phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng Nó phương pháp dùng tia lazer tia HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 quang học khác để đo chụp ảnh bề mặt vật cần đo (quét) sau liệu sử lý, hoàn thiện nhờ phần mềm xử lý ảnh chuyên nghiệp Thiết bị số hóa loại máy qt lazer máy quét ánh sáng trắng ánh sáng xanh Máy quét 3D đo vật từ gần tới xa đến 35m máy quét Lazer nhờ cánh tay rô bốt (a) Trục chủ động (b) Trục bị động Hình Scan 3D mẫu trục vít máy qt 3D ScanFlex Premium 2.2 Xử lý số liệu số hóa cặp rotor Quy trình số hóa liệu cặp rotor trục vít máy nén khí thực theo bước sau đây: Bước Nhập liệu quét vào phần mềm xử lý Trong nghiên cứu phần mềm Geomagic Design X chọn để phân tích thiết kế lại mẫu, mơ hình vật lý cho trước thơng qua số hóa bề mặt mẫu thiết bị Scan 3D, xây dựng mơ hình liệu số hóa 3D Phần mềm cịn cho phép thiết kế nhanh xác mẫu thiết kế có độ phức tạp hình học cao, mẫu dạng bề mặt tự (khơng xác định quy luật tạo hình) Nhập lưới qt mơ hình liệu mục tiêu vào phần mềm ứng dụng Hình Nhập liệu quét 3D vào phần mềm xử lý Bước Phân vùng chỉnh liệu quét Bước thực phân đoạn vùng đặc tính liệu quét dễ dàng xếp liệu quét vào hệ tọa độ thiết kế cách sử dụng thơng tin đặc tính liệu quét đối tượng HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 (a) Trục chủ động (b) Trục bị động Hình Căn chỉnh liệu quét Bước Chỉnh sửa liệu đám mây điểm: Trong trình quét xảy sai số quét thiết bị nhiễu Do trước xây dựng mơ hình liệu đám mây điểm cần điều chỉnh sửa lưới để lọc loại bỏ điểm nhiễu tạo bề mặt tự (a) Trục chủ động (b) Trục bị động Hình Căn chỉnh liệu lưới Bước Tạo đối tượng CAD 3D cặp rotor: Từ liệu hiệu chỉnh đám mây điểm sau qt, mơ hình CAD 3D cặp rotor xây dựng cách sử dụng công cụ phần mềm Geomagic Design X HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 (a) Trục chủ động (b) Trục bị động Hình Mơ hình CAD 3D cặp rotor trục vít Bước Kiểm tra kết mơ hình hóa: Mơ hình CAD 3D so sánh với liệu đám mây điểm Kết sai số hai mơ hình giới hạn cho phép yêu cầu thiết kế trục rotor (a) Trục chủ động HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 (b) Trục bị động Hình Kiểm tra đánh giá kết ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH ĐỂ IN 3D CHO CẶP ROTOR 3.1 Vật liệu in cặp rotor Trong nghiên cứu sợi nhựa PLA (Polylactic Acid) chọn để in cặp rotor Loại nhựa sử dụng nhiều máy in 3D chi phí thấp, dễ mua thị trường sử dụng cho nhiều mục đích khác Nhựa PLA nóng chảy khoảng nhiệt độ 180°C đến 220°C Vì kích thước sản phẩm tương đối lớn (đường kính rotor chủ động 90mm, rotor bị động 70mm) nên để tiết kiệm vật liệu, sản phẩm thu nhỏ theo tỷ lệ 1:5 (đường kính rotor chủ động in 18mm, rotor bị động in 14mm) Do sau in sản phẩm bị co ngót nên để đạt kích thước mong muốn cần dựa độ co ngót PLA xác đinh kích thước rotor in theo cơng thức: HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Din  Dsp (1 sr ) (1) Trong đó, Din kích thước chi tiết trước in, Dsp kích thước chi tiết sau in co rút, sr hệ số co rút (%), với nhựa PLA ta có hệ số co rút sr = 0,3% - 0,7% Chọn hệ số co rút sr = 0,5% Ta có kích thước chi tiết trước in rotor chủ động Din1 18(1 0,005) 18,09mm , rotor bị động Din 14(1 0,005) 14,07mm Hình Đặt thơng số in Hình Tạo mã G-Code cho máy in 3D 3.2 In sản phẩm máy In ba trục Do phần bắt đầu trục rotor xoắn khơng có điểm tựa nên cần có vật liệu chống đỡ in Diện tích tiếp xúc trục với bàn in bé nên in dễ bị văng khỏi bàn in nên cần có vật liệu chỗng đỡ HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình In chi tiết máy in 3D trục Hình 10 Cặp rotor trục vít máy nén sau in Mơ hình sau in kiểm tra thước cặp kích thước đường kính rotor chủ động đo Ddo1 18,02mm , rotor bị động đo Ddo2 14,01mm Nên kích thước cặp rotor sau in xấp xỉ kích thước yêu cầu ban đầu HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 KẾT LUẬN Bài báo đưa phương pháp đơn giản hiệu cho việc xây dựng mơ hình CAD 3D cặp rotor trục vít máy nén khí thay cho mơ hình tạo phương trình tốn học phức tạp Mơ hình 3D cặp rotor trục vít kiểm tra đánh giá sai số với liệu đám mây điểm từ máy quét đáp ứng yêu cầu sai số chế tạo cặp rotor Ngồi mơ hình hình CAD 3D cặp rotor trục vít in máy in 3D ba trục đánh giá sai số sau in Từ cho thấy khả ứng dụng kỹ thuật ngược thiết kế giải pháp kỹ thuật hữu hiệu giúp cho nhà thiết kế, sản xuất nhanh chóng tạo thiết kế có độ xác cao, lựa chọn phù hợp với nước có khoa học, kỹ thuật nhiều hạn chế nước ta LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng Khoa học Công nghệ, Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên, đề tài mã số UTEHY.T018.P1718 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Liang, C C., Grier, Lin, C.I., 2000 Reverse engineering in the design of turbine blades a case study - a case study in appliying the MAMDP Robotics and Coputer Integated Manufacturing, 16, 161-167 [2] Pal, D K., Ravi, B L., Bhargava, S., Chandrasekhar, U., 2005 Computer-Aided Reverse Engineering for Rapid Replacement Parts: A Case Study Defence Science Journal, DESSIDOC, DRDO, New Delhi, 1-14 [3] Kumar, A., Jain, P K and Pathak, P M., 2012 Industrial Application of Point Cloud / Stl Data for Reverse Engineering DAAAM International Scientific Book 2012, B Katalinic (Ed.), Published by DAAAM International, Vienna, Austria, 445-462 [4] Kumar, A., Jain, P K and Pathak, P M., 2013 Reverse Engineering in Product Manufacturing: An Overview, Daaam International Scientific Book 2013, 665-678 [5] Xia, Z., 2014 Application of Reverse Engineering based on Computer in Product Design International Journal of Multimedia and Ubiquitous Engineering, 9(5), 343-354 [6] Zaytsev, D., Infante Ferreira, C.A., 2005 Profile Generation Method for Twin Screw Compressor Rotors Based on the Meshing Line International Journal of Refrigeration, 28, 744– 755 [7] Wu, Y R., Fong, Z H., 2008 Rotor Profile Design for the Twin-Screw Compressor Based on the Normal-Rack Generation Method Journal of Mechanical Design, 130, No 042601 (8 pages) [8] Stosic, N., Smith, I K., Kovacevic, A., Aldis, C A., 1997 The Design of a Twinscrew Compressor Based on a New Rotor Profile Journal of Engineering Design, 8(4), 389-399 [9] Wu, H.G., Ma, Y., Xing, Z.W., 2004 Theoretical and Experimental Investigation of Compression Loads in Twin Screw Compressor International Compressor Engineering Conference at Purdue, No 1701 (6 pages)  ... yếu Chính việc nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật ngược thiết kế cần thiết hiệu mang lại to lớn từ cơng nghệ MƠ HÌNH HĨA CẶP ROTOR TRỤC VÍT THEO CƠNG NGHỆ THIẾT KẾ NGƯỢC 2.1 Số hóa cặp rotor Đầu tiên... NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 (a) Trục chủ động (b) Trục bị động Hình Mơ hình CAD 3D cặp rotor trục vít Bước Kiểm tra kết mơ hình hóa: Mơ hình CAD 3D so sánh... hạn 3D cho phép tính tốn tải trọng máy nén cách tích hợp lực mô mem nút phần tử rotor Việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo cặp trục vít máy nén khí địi hỏi phải nghiên cứu tỷ mỉ, xác nhằm đáp ứng