4. Nội dung nghiên cứu
4.5.2 Thực nghiệm gia công mẫu
Gia công thô:
Tốc độ tiến dao (Cut feed): 1000mm/phút. Khoảng sai số cho phép (Tolerance): 0,01mm. Bước dịch dao (Step over): 12mm
75 Chiều sâu cắt lớn nhất (Max step depth): 0,35mm
Kiểu chạy dao (Scan type): Kiểu xoắn ốc (Type spiral) Lượng dư để lại cho gia công bán tinh: 0.2 mm
Hướng chạy dao (Cut type): Phay thuận (Climb) Tốc độ trục chính (Sprindle speed): 1800 vòng/phút
76 Thực hiện lập trình gia công theo c|c bước sau:
Bước 1: Khởi động phần mềm, nhập chi tiết, thiết lập m|y v{ phôi.
Hình 4 20 Nhập chi tiết vào môi trường gia công.
77
Bước 2: Lập trình gia công thô chi tiết.
Hình 4 22 Thiết lập các thông số công nghệ gia công thô chi tiết.
Mô phỏng đường chạy dao gia công thô.
78
Hình 4 24 Mô phỏng đường chạy dao gia công thô.
79
Gia công bán tinh
Tốc độ tiến dao (Cut feed): 800mm/phút. Khoảng sai số cho phép (Tolerance): 0,01mm. Bước dịch dao (Step over): 0,15 mm.
Số lượt cắt: 1 lần cắt hết lượng dư.
Hướng chạy dao (Cut type): Phay thuận (Climb). Tốc độ trục chính (Sprindle speed): 2500 vòng/phút.
80 Mô phỏng đường chạy dao gia công bán tinh.
Hình 4 27.
81
Gia công tinh
Tốc độ tiến dao (Cut feed): 600mm/phút. Khoảng sai số cho phép (Tolerance): 0,01mm. Bước dịch dao (Step over): 0,1mm.
Số lượt cắt: 1 lần cắt hết lượng dư.
Hướng chạy dao (Cut type): Phay thuận (Climb). Tốc độ trục chính (Sprindle speed): 3500 vòng/phút.
82 Mô phỏng đường chạy dao gia công tinh.
Hình 4 30.
83
Hình 4 32 Quá trình phay tinh.
84
Kết quả gia công mẫu thực nghiệm.
Mẫu gia công:
Hình 4 34
Thời gian gia công:
Bảng 4 3: Thời gian gia công các mẫu thực nghiệm.
TT Gia công thô Gia công bán tinh Gia công tinh
85
4.6KIỂM TRA Đ NH GI CHẤT LƢỢNG T O HÌNH
4.6.1 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT NGƯỢC TRONG ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC HÌNH DÁNG HÌNH HỌC (RE). HÌNH DÁNG HÌNH HỌC (RE).
4.6.1.1 Giới thiệu về kỹ thuật ngược (RE).
Khái niệm kỹ thuật ngược.
Thiết kế ngược là quy trình thiết kế lại mẫu - mô hình vật lý cho trước thông qua số hóa bề mặt mẫu bằng thiết bị đo tọa độ, và xây dựng mô hình thiết kế từ dữ liệu số hóa. Ưu điểm của phương ph|p thiết kế ngược là cho phép thiết kế nhanh và chính xác mẫu thiết kế có độ phức tạp hình học cao, hoặc mẫu dạng bề mặt tự do (không x|c định được quy luật tạo hình).
Phương ph|p thiết kế ngược cũng có ưu điểm đối với mẫu thiết kế dạng bề mặt có quy luật tạo hình nhưng không x|c định được thông số thiết kế. Chẳng hạn các mẫu bề mặt xoắn như c|nh tuabin, bề mặt thủy động học, khí động học… Trong thời gian gần đ}y trong nước đ~ có c|c loại thiết bị tự động đo quét tọa độ 3D, kỹ thuật thiết kế ngược cũng đ~ được nghiên cứu áp dụng tại một số nơi (doanh nghiệp, viện, trường…). Tuy nhiên việc ứng dụng có hiệu quả giải pháp kỹ thuật mới này vẫn còn nhiều vấn đề cần phải hoàn thiện thêm.
Kỹ thuật thiết kế ngược - Reverse Engineering (RE) là thuật ngữ được sử dụng phổ biến trong thời gian gần đ}y.Tuy nhiên việc sử dụng RE trong phát triển sản phẩm đ~ được bắt đầu từ vài thập kỷ trước. RE được khái niệm là quá trình nhân bản một vật thể, một bộ phận hoặc một sản phẩm hoàn chỉnh có sẵn mà không có sự trợ giúp của bản vẽ, tài liệu hay mô hình máy tính.
Về bản chất thiết kế ngược là quá trình sao chép một sản phẩm đ~ được sản xuất (nhờ khả năng sao chép hình ảnh của một vật thể thành dữ liệu CAD 3D), thiết kế ngược liên quan đến việc quét hình (scanning), số hóa (digitizing) vật thể thành dạng điểm, đường và bề mặt 3D.
Các nhà thiết kế và chế tạo thường đ|nh gi| sản phẩm của mình v{ đối thủ cạnh tranh trước khi đưa ra một ý tưởng mới. Ng{y nay qu| trình đó được hệ thống hóa thành một kỹ thuật riêng gọi là kỹ thuật thiết kế ngược. Đó l{ sự đ|nh gi| có hệ
86 thống một sản phẩm nhằm mục đích t|i tạo lại hoàn chỉnh hoặc có bổ sung thêm những cải tiến phát triển. Như vậy có thể thấy kỹ thuật thiết kế ngược là quá trình tạo mô hình thiết kế từ sản phẩm có sẵn, nhằm thực hiện các phép phân tích kỹ thuật hoặc tái tạo lại sản phẩm dưới dạng nguyên gốc hay biến thể. Quá trình này trái ngược với quá trình truyền thống bấy lâu nay kiểu “thiết kế thuận” (Forward Engineering) - đi từ ý tưởng đến sản phẩm (thiết kế ngược thì đi từ việc phân tích một bộ phận trong quá trình thuận - ngược n{y được tổng hợp theo lộ trình như sau:
- Thiết kế thuận: nhu cầu - ý tưởng thiết kế - tạo mẫu thử và kiểm tra - sản phẩm. - Thiết kế ngược: sản phẩm - đo v{ kiểm tra - tái thiết kế - tạo mẫu thử và kiểm tra - sản phẩm.
Kỹ thuật thiết kế ngược theo hướng tự động hóa thường được chia làm 3 giai đoạn là: lấy mẫu (số hóa bề mặt) bằng thiết bị đo quét tọa độ; xử lý dữ liệu và xây dựng mô hình thiết kế trên phần mềm CAD; ứng dụng.
Giai đoạn lấy mẫu l{ giai đoạn số hóa bề mặt mẫu bằng các loại thiết bị đo quét tọa độ. Các loại thiết bị đo quét tọa độ được lựa chọn tùy theo hình dạng của chi tiết, yêu cầu độ chính xác, vật liệu chi tiết, kích thước chi tiết... Hai loại thiết bị đo quéttọa độ phổ biến nhất hiện nay là thiết bị đo không tiếp xúc và thiết bị đo tiếp xúc. Điển hình của 2 loại m|y n{y l{ m|y quét laser v{ m|y đo tọa độ (Coordinate Measuring Machine - CMM). Trong giai đoạn này thiết bị đo tọa độ sẽ thu nhận dữ liệu hình học của đối tượng ở dạng tọa độ của c|c điểm (x,y, z), sau đó sẽ tập hợp c|c điểm trên bề mặt đối tượng được mô tả như “đ|m m}y điểm”.
Tiếp theo l{ giai đoạn xử lý dữ liệu và xây dựng mô hình, giai đoạn này sử dụng 2 phần mềm là phần mềm tạo lưới (có khả năng tự động phủ lưới qua tất cả c|c điểm dữ liệu) và phần mềm mô hình hóa 3D (có khả năng mô hình hóa c|c đường cong, mặt cong NURBS, xây dựng mô hình thiết kế CAD từ mô hình lưới điểm thông qua sự tương t|c của người sử dụng với giao diện của phần mềm).
Sau cùng l{ giai đoạn ứng dụng, mô hình thiết kế có thể được tinh chỉnh, tối ưu bằng c|c phương ph|p ph}n tích CAE, hay chuyển sang công đoạn thiết kế khuôn cho sản phẩm và cuối cùng là xuất dữ liệu thiết kế dưới dạng bản vẽ kỹ thuật. Có thể
87 sử dụng trực tiếp dữ liệu thiết kế cho công đoạn sản xuất bằng cách chuyển mô hình CAD sang phần mềm CAM để lập trình gia công CNC, hay chuyển sang dữ liệu STL cho quá trình tạo mẫu nhanh. Ngoài việc phục vụ thiết kế chế tạo, quy trình thiết kế ngược còn được sử dụng để kiểm tra, đ|nh gi| độ chính xác giữa sản phẩm gia công so với nguyên mẫu.
Đặc điểm của kỹ thuật ngược.
Ưu điểm:
- Kiểm tra, so sánh, quản lý chất lượng sản phẩm đã chế tạo bằng cách so sánh mô hình CAD với mô hình quét 3D, từ đó điều chỉnh mô hình hoặc các thông số công nghệ để tạo ra sản phẩm theo yêu cầu.
- Mô hình CAD được sử dụng như mô hình trung gian trong quá trình thiết kế bằng cách tạo sản phẩm thủ công trên đất sét, thạch cao, sáp…rồi sau đó quét hình để tạo thành mô hình CAD, mô hình này có thể thiết kế chỉnh sửa theo ý muốn.
- Rút ngắn thời gian thiết kế và đơn giản hóa quy trình công nghệ dẫn tới năng suất cao.
- Chế tạo được nguyên mẫu mà không cần bản thiết kế
- Kiểm tra sai số của toàn quá trình thông qua các phần mềm hỗ trợ.
Nhược điểm:
- Cần có công nghệ hiện đại là các máy đo tọa độ, máy quét hình. - Giá thành cao do chi phí dầu tư các trang thiết bị.
- Sai số toàn quá trình kỹ thuật ngược còn phụ thuộc vào chất lượng của trang thiết bị, máy móc sử dụng, phụ thuộc vào tay nghề thiết kế khi sử dụng các phần mềm hỗ trợ.
4.6.1.2 Phần mềm Geomagic.
Geomagic Design X (trước đ}y l{ Rapidform XOR) l{ phần mềm kỹ thuật ngược thuộc quyền sở hữu của công ty 3D System. Phần mềm này có khả năng tự động chuyển dữ liệu đ|m m}y điểm thành 3D một cách tự động thông qua các các công cụ thông minh.Ngoài ra, phần mềm này còn có khả năng xuất dữ liệu 3D trong tất cả các định dạng th{nh c|c đa gi|c, mặt NURBS thuận tiện cho quá trình sử dụng.
88 Một số tính năng cơ bản của phần mềm Geomagic Design X:
- Phân tích kỹ thuật từ dữ liệu Geomagic 3D: Phần mềm Geomagic cho phép dữ liệu đám mây điểm 3D được chuyển đổi trực tiếp thành mô hình 3D , mô hình này được sử dụng trong phân tích không phá hủy, chẳng hạn như phân tích phần tử hữu hạn (FEA) và tính toán khí động lực học (CFD), phân tích trên các bộ phận, trên các lắp ghép và hệ thống sản xuất.
- Phân tích phần tử hữu hạn (FEA): Sử dụng phần mềm thiết kế ngược Geomagic để tạo ra mô hình thích hợp cho thử nghiệm FEA và kiểm tra vật lý, các bộ phận thực này được sản xuất từ các dữ liệu 3D Geomagic. Phân tích này bổ sung cho lý thuyết FEA để tạo ra một mô hình CAD hoàn hảo, và có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc vào các vấn đề được giới thiệu trong quá trình sản xuất hoặc chống mòn và nứt trong quá trình sử dụng. Phần mềm Geomagic hỗ trợ bất kỳ phần mềm FEA sử dụng đa giác 3D và các mô hình bề mặt để phân tích.
- Tính toán khí động lực học: Sử dụng phần mềm Geomagic, các đặc tính động học dưới điều kiện khác nhau của cánh tuabin, tấm thân ô tô,cánh máy bay, thuyền, thân tàu, các các bộ phận lắp ghép khác có thể được thử nghiệm chính xác dựa trên sự sao chép kỹ thuật của một một bộ phận vật lý, lắp ráp hoặc hệ thống.
- Kiểm tra chất lượng: Kiểm tra chất lượng của các bộ phận sử dụng việc chuyển hóa dữ liệu 3D cho độ chính xác cao hơn, nhanh hơn so với phương pháp kiểm tra thông thường. Geomagic Qualify cho phép báo cáo kết quả ngay lập tức, chính xác, đầy đủ về điều kiện dung sai của các bô phận, xác nhận tiêu chuẩn chất lượng quốc tế.
- Thiết kế ngược: Phần mềm Geomagic là một giải pháp tối ưu cho kỹ thuật thiết kế ngược, cho phép thiết kế các bộ phận mới dựa trên các tính chất vật lý hoặc hình dạng của bộ phận có sẵn. Nó tạo ra các mô hình kỹ thuật số chính xác thông qua việc quét các đối tượng hiện có để kích hoạt mới hoặc tạo các sản phẩm tốt hơn thay thế các sản phẩm cũ trong khi làm giảm đáng kể thời gian và chi phí sản xuất. Geomagic tích hợp với tất cả các sản phẩm MCAD lớn bao gồm: PTC Creo, CATIA, SolidWorks, và Autodesk Inventor. Ngoài ra,phần mềm xuất các sản phẩm sang các định dạng 3D lớn bao gồm: IGES, STEP, STL, 3DS, VRML... Geomagic Studio cung cấp các công cụ thiết kế nhanh chóng và chính xác từ đám mây điểm 3D thành các mô hình 3D bằng cách sử dụng đa
89 giác, mặt NURBS và các thông số mô hình bề mặt, các đặc tính này có thể được sử dụng liên tục trong các hệ thống MCAD bởi các kỹ sư chuyên nghiệp. Phần mềm tự động sửa và xử lý nhanh chóng dữ liệu đám mây điểm lớn với độ chính xác mà các kỹ sư yêu cầu.
4.6.1.3 Ứng dụng kỹ thuật ngược (RE) và phần mềm Geomagic trong việc kiểm tra độ chính xác hình học mẫu thực nghiệm. tra độ chính xác hình học mẫu thực nghiệm.
Biên dạng chi tiết cần kiểm tra độ chính xác hình học:
90 Trang thiết bị sử dụng để kiểm tra mẫu.
- Máy quét 3D của hãng NIKON.
- Cánh tay robot 7 bậc tự do MCAx20+. - Đầu quét 3D MMDx100.
91
Bang 4 4 Thông số kỹ thuật cánh tay robot
Thông số MCAx20+
Khoảng đo 2.000 mm
Độ chính xác lặp lại của điểm đo 0.023 mm
Độ chính xác 3 chiều ±0.033 mm
Độ chính xác quét sử dụng đầu quét MMDX100
48µm
Số bậc tự do 7
Khối lượng 8.2 kg
Hình 4 37 Đầu quét 3D MMDx100 Bang 4 5 Thông số kỹ thuật của đầu quét 3D
Thông số kỹ thuật MMDx100
Start measuring range (mm) 100 Measuring range (mm) 100
Stripe width (mm) 100
92
Hiệu chuẩn máy.
Trước khi thực hiện quét sản phẩm ta phải tiến hành hiệu chuẩn máy theo mẫu chuẩn của nhà sản xuất.
Hình 4 38 Kết quả hiệu chuẩn máy.
Thực hiện hiệu chuẩn theo căn mẫu chuẩn của nhà sản xuất, thực hiện với 14 lần đo với độ chính x|c đạt được 0,019 mm.
Quét và xử lý dữ liệu.
Chi tiết được đặt cố định trên bàn thao tác, tiến hành quét hết toàn bộ bề mặt biên dạng của chi tiết, dữ liệu quétthu được dưới dạng đ|m m}y điểm (Point Clout), tiến hành xử lý mẫu ta thu được hình dáng hình học của bề mặt nghiên cứu trong luận văn như sau:
93
Hình 4 39 hình dáng hình học của bề mặt nghiên cứu.
Kiểm tra hình dáng hình học chi tiết trên thiết kế và chi tiết quét 3D.
- Quy trình: Quá trình kiểm tra hình dáng hình học chi tiết bao gồm hai nội dung chính, phần thứ nhất kiểm tra sai lệch hình dáng hình học của chi tiết, phần thứ hai kiểm tra sai lệch biên dạng của chi tiết. Do chi tiết thiết kế dưới dạng bề mặt (Surface) mà chi tiết quét dưới dạng khối, bởi vậy quá trình xử lý ta quét phần bề mặt và phải cắt bỏ những phần dữ liệu thừa bởi vậy sẽ ảnh hưởng rất lớn đến độ sai lệch biên dạng hình dáng hình học cần kiểm tra. Mục tiêu là đánh giá sai lệch về hình dáng hình học bề mặt nên trong giới hạn của luận văn này sẽ không có phần kiểm tra sai lệch biên dạng của chi tiết.
- Nguyên lý: Dữ liệu quét sau khi được xử lý ta thu được biên dạng hình học của sản phẩm dưới dạng đám mây điểm, ta sẽ nhập biên dạng thiết kế của chi tiết dưới định dạng file CAD 3D, định vị dữ liệu quét và dữ liệu file CAD dưới dạng "Best Fit" tức là dữ liệu quét và dữ liệu CAD được định vị trí tối ưu nhất với độ chính xác 0.05mm, và được thao tác trên phần mềm Geomegic.
- Độ sai lệch hình dáng hình học được xác định bằng khoảng cách từ một điểm bất kỳ trên dữ liệu quét đến bề mặt chi tiết CAD 3D.
94
Hình 4 40 Độ chính xác định vị của phần mềm Geomegic.
Hình 4 41 Cây thư mục trong giao diện phầm mềm xử kiểm tra. TEST: Đối tượng cần kiểm tra (Dữ liệu quét dưới dạng đám mây điểm). REF: Đối tượng so sánh (File thiết kế 3D).
95
Hình 4 42 Dữ liệu quét và dữ liệu CAD ở vị trí tương đối trước khi định vị.
96 Điểm kiểm tra được x|c định bằng cách tạo c|c lưới với kích thước 5x5x5 mm, các lưới này giao với bề mặt dữ liệu quét tại c|c điểm (hình cầu m{u xanh) được xác định l{ c|c điểm kiểm tra.
97 Thiết đặt các thông số kiểm tra:
3D Deviation: Kiểm tra sai lệch biên dạng 3D Max. Deviation: Độ biến dạng lớn nhất
Critical Angle: Góc tới hạn
Color Segments: Phổ màu thể hiện độ sai lệch Critical: Giá trị tới hạn
Nominal: Dung sai danh định.