Chi tiết gia công được chọn ở đây là các chi tiết có trục xoay, được gá trên mâm cặp, dao phay đặt nằm ngang, nguyên lý cắt gọt là: Phôi quay, dao vừa quay vừa tịnh tiến để thực hiện chế độ cắt gọt, tạo hình sản phẩm. Máy gia công được dựng theo nguyên lý trên và được điều khiển bởi chương trình viết trên phần mềm Matlab.
Biên dạng chi tiết thu bằng cách đưa mô hình chi tiết thực vào quét trên máy quét 3D laser, sau khi quét sẽ cho ta dữ liệu là các đám mây điểm. Thông qua các phần mềm CAD/CAM ta sẽ dựng lại được mô hình 3D của chi tiết và lập trình gia công chúng một cách chính xác và nhanh chóng.
2.3 Giới thiệu về phương pháp đo quét 3D lazer.
2.3.1 Phƣơng pháp đo tiếp xúc
Khái niệm: Đo tiếp xúc là phương pháp thường dùng 1 đầu đo cơ khí trượt
trên bề mặt chi tiết theo lưới định trước và liên tục ghi lại tọa độ nhận được, mũi dò tiếp xúc trực tiếp với vật thể, mỗi vị trí tiếp xúc cho ta toạ độ một điểm tương ứng.
Điển hình của thiết bị được sử dụng cho phương pháp này là máy đo toạ độ CMM (Coordinate Mesuring Machine) là tên gọi chung của các thiết bị vạn năng có thể thực hiện việc đo các thông số hình theo phương pháp tọa độ. Có hai máy đo tọa độ thông dụng là máy đo bằng tay (đầu đo được dẫn động bằng tay) và máy đo CNC (đầu đo được điều khiển tự động bằng chương trình số).
a) Máy đo bằng tay b) Máy đo CNC
Nguyễn Long Lâm 34 11BCTM.KH Đối với máy đo bằng tay loại máy đo này có chuyển vị rất êm, nhẹ nhàng nhờ dùng dẫn trượt trên đệm khí nén. Để kết quả đo tin cậy, áp suất khi nén cần phải được bảo đảm như điều kiện kỹ thuật của máy đã ghi nhằm đảm bảo đệm khí đủ áp suất và làm việc ổn định. Các máy của hãng Mitutoyo thường có yêu cầu áp suất khi nén là 0,4MPa với lưu lượng 40 lít/phút ở trạng thái bình thường. Máy phải được vận hành ở nhiệt độ thấp từ 16 độ C đến 26 độ C. Loại máy được dẫn động bằng tay vận hành đơn giản, nhẹ nhàng nhờ dùng dẫn trượt bi, tuy nhiên loại này có độ chính xác thấp hơn loại máy đo CNC.
2.3.2 Phƣơng pháp đo không tiếp xúc
Khái niệm: Phương pháp đo không tiếp xúc là phương pháp dùng tia lazer
hoặc các tia quang học khác để đo hoặc chụp ảnh bề mặt vật cần đo (quét) mà không tiếp xúc trực tiếp với vật, sau đó dữ liệu được sử lý, hoàn thiện nhờ các phần mềm xử lý ảnh điểm chuyên nghiệp.
Hiện nay có 2 dạng đo không tiếp xúc là đo bằng tia laser và ánh sáng trắng. Xét về tính chất, 2 nguồn sáng này hoàn toàn khác nhau nhưng khi chúng liên quan đến kết quả đo đạc thì sự khác biệt chỉ là rất nhỏ. Theo toán học, cả 2 đều ứng dụng thuật toán dùng phép đạc tam giác, vốn đã có cùng đặc điểm về độ chính xác và độ phân giải – chúng đều là các kĩ thuật chiếu dùng ánh sáng. Việc người dùng chọn loại kĩ thuật chiếu nào phụ thuộc vào ứng dụng. Ánh sáng laser được hội tụ vào một tia hay một bản để bao phủ một khu vực nhất định mỗi lần và do đó chỉ có thể đo một số điểm nhất định nằm trong dải tia laser đó.
Ánh sáng trắng được dùng trong có khả năng bao phủ cả một vùng mỗi lần. Mỗi lần chiếu/quét trong vùng này có thể thu được hàng trăm nghìn điểm dữ liệu. Hơn nữa, bằng việc chiếu các kiểu bóng đã được mã hóa trong các vùng đó, rất nhiều điểm nữa có thể đo được so với các điểm thu được khi dùng tia laser. Điều này cho thấy đấy là hệ thống quét nhanh hơn nhiều.
Nguyễn Long Lâm 35 11BCTM.KH Hệ thống laser có chi phí thấp hơn (do chi phí thấp về thành phần và do thiết kết đơn giản); tuy nhiên, hệ thống này lại chậm hơn nhiều so với hệ thống dùng ánh sáng trắng.
Về độ chính xác : những hệ thống ứng dụng các nguồn sáng trên đã được xây dựng nhưng thấy hệ thống nào nổi trội hơn về độ chính xác. Hệ thống laser dễ bị ảnh hưởng với dữ liệu âm thanh với các bề mặt phản xạ nhưng cũng có những kĩ thuật để khắc phục vấn đề này. Mỗi vùng nhỏ khoảng 8inches vuông. Nếu vật quét có kích thước lớn hơn 8’’, sẽ có nhiều lần quét hơn. Mỗi lần quét cần “gối” lên lần quét trước đó để có được một vật hoàn chỉnh.
2.3.3 Ƣu nhƣợc điểm của 2 phƣơng pháp đo
2.3.3.1 Ƣu nhƣợc điểm của phƣơng pháp đo tiếp xúc
Ưu điểm:
- Do nguyên tắc đo từng điểm trên đối tượng nên độ chính xác cao, hoạt động của máy theo nguyên tắc hành trình nên máy có độ chính xác đến phần vạn
- Tính tự động hóa cao: Có thể đo tự động trong cả quá trình đo.
- Kết quả đo là các file có nhiều định định dạng tiêu chuẩn như IGS, Step, Stl … thích hợp với các phần mềm thiết kế 3D.
- Dễ xử lý kết quả đo: Kết quả đo là tập hợp các đường curve thuận lợi tạo các mặt trên các phần mềm thiết kế 3D.
- Đầu đo đa dạng phù hợp với các đối tượng đo. Nhược điểm :
- Hạn chế đo các rãnh hẹp, cạnh sắc, có kích thước nhỏ hơn bán kính đầu đo - Tốc độ đo không cao: Chỉ từ 10 đến 1000 điểm /phút chậm hơn nhiều so với công nghệ scan laser.
Nguyễn Long Lâm 36 11BCTM.KH
2.3.3.2 Ƣu nhƣợc điểm của phƣơng pháp đo không tiếp xúc
Ưu điểm:
- Thời gian lấy mẫu nhanh, có thể lấy mẫu vật thể có kích thước lớn.
- Phương pháp này có thể lấy mẫu các vật thể làm bằng vật liệu mềm như chất dẻo, xốp, sáp …hay các vật thể bị biến dạng mà không làm biến dạng hay phá hủy mẫu cần đo.
- Tính cơ động và linh hoạt rất cao.
- Do không tiếp xúc trực tiếp với bề mặt chi tiết lên không gây biến dạng cho chi tiết và đầu dò.
Nhược điểm :
- Độ chính xác không cao bằng phương pháp đo tiếp xúc. - Hạn chế quét tại các đường cong xoắn, nhỏ và sâu.
So sánh tính ưu việt của 2 phương pháp và ứng dụng thực tế
Vì mỗi phương pháp đều có ưu điểm, nhược điểm riêng nên sẽ được dùng trong từng trường hợp cụ thể. Cũng có thể kết hợp cả 2 phương pháp để đạt hiệu quả cao nhất. Có thể số hóa bằng máy quét không tiếp xúc sau đó kiểm tra sai số sản phẩm bằng máy đo tọa độ tiếp xúc. Vì vậy:
- Phương pháp đo tiếp xúc (CMM) đạt độ chính xác rất cao, yêu cầu phải tính toán kỹ lưỡng các đường quét (tính toán ban đầu), mất nhiều thời gian và đắt hơn. Tuy nhiên khi xử lý dữ liệu quét để xây dựng bề mặt sẽ nhanh và mất ít thời gian hơn quét không tiếp xúc. Phương pháp này thường áp dụng cho việc thiết kế ngược các chi tiết đã đoán biết được phương pháp dựng hình và yêu cầu độ chính xác cao.
- Phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng khi thiết kế ngược các chi tiết có biên dạng bề mặt không đoán biết trước được phương pháp dựng hình như phù điêu, hay bộ phận cơ thể .v.v. hoặc các chi tiết đòi hỏi tính linh hoạt của máy đo. Yêu cầu
Nguyễn Long Lâm 37 11BCTM.KH độ chính xác kích thước và biên dạng bề mặt không cao. Phương pháp này rất nhanh và giá thành rẻ.
2.4 Mô tả dữ liệu thu được sau khi đo quét
Thực chất khi đo quét vật thể bằng 3D Laser là dùng máy quét hình để quét hình dáng của vật thể. Các thiết bị này có thể là loại máy quét chuyên dùng hay có thể sử dụng chức năng quét trên máy công cụ CNC. Có thể dùng máy quét dạng tiếp xúc (như máy đo toạ độ Coordinate Measuring Machine -CMM) hoặc máy quét dạng không tiếp xúc (máy quét laser). Khi sử dụng máy CMM thì đầu dò tiếp xúc với bề mặt cần đo. Mỗi vị trí đo sẽ cho một điểm có toạ độ (x, y, z). Tập hợp các điểm đo sẽ cho một đám mây các điểm. Khi sử dụng máy quét laser thì chùm tia laser từ máy chiếu vào vật thể sẽ phản xạ trở lại cảm biến thu. Hình dạng của toàn bộ vật thể được ghi lại bằng cách dịch chuyển hay quay vật thể trong chùm ánh sáng hoặc quét chùm ánh sáng ngang qua vật. Phương pháp này cho độ chính xác kém hơn phương pháp tiếp xúc. Dung sai đạt được khi dùng phương.
Cả 2 phương pháp đều cho dữ liệu vì chi tiết gồm tập các điểm (đám mây điểm). Đám mây điểm này phải được chuyển sang dạng lưới đa giác để xây dựng mặt.
Vậy Đám mây điểm: là khối số liệu hoàn chỉnh được tạo thành bằng rất nhiều điểm có toạ độ X, Y, Z xác định. ĐÁM MÂY ĐIỂM hình thành lên mô hình 3D của đối tượng quét với độ chính xác rất cao. Thông thường ĐÁM MÂY ĐIỂM nguyên bản có kích thước lớn với hàng triệu điểm, sau quá trình xử lý tối ưu hoá, kích thước khối số liệu 3D sẽ giảm đi một cách đáng kể. Ngay ở giai đoạn này đã có thể sử dụng ĐÁM MÂY ĐIỂM để thực hiện các tác vụ đơn giản như:
Hiển thị toàn cảnh đối tượng quét dưới dạng 3D. Thực hiện các phép đo đạc cơ bản.
Nguyễn Long Lâm 38 11BCTM.KH
2.5 Các phương pháp chạy dao trong mô hình nghiên cứu
2.5.1 Phƣơng pháp chạy dao theo lớp tròn xoay:
a. Đặc điểm quỹ đạo dao và máy :
Trong phương pháp này, dữ liệu đo quét sẽ được chia thành từng lớp bởi các mặt phẳng vuông góc với trục Z. Từ dữ liệu theo từng lớp cắt của chi tiết, ta thu được biên dạng cần gia công để xây dựng nên phương pháp chạy dao và dịch chuyển các trục của máy.
Bởi vì, chi tiết gia công không ở dạng tròn xoay đối xứng nên tại mỗi điểm cắt trên từng lớp cắt thu được trên lớp cắt có đường kính so với trục Z là khác nhau.Do vậy, chiều sâu cắt và tốc độ cắt yêu cầu cũng khác nhau tại từng vị trí trên biên dạng của chi tiết.
Trên một lớp, phôi được gá đặt trên mâm cặp và quay tròn với vận tốc khác nhau để đảm bảo độ chính xác và ổn định trong quá trình cắt.Dao dịch chuyển theo hướng trục X tiến vào phôi với các lượng gia công khác nhau để đạt được bán kính biên dạng tại vị trí đang gia công tương ứng trên phôi.
Sau mỗi lớp cắt, bàn gá dao chuyển động tịnh tiến đem theo dao dịch chuyển theo trục Z đến một lớp mới và lặp lại quá trình cắt.
Vì vậy, quỹ đạo chuyển động của dao chỉ là chuyển động tịnh tiến trên một lớp cắt bất kỳ. Chuyển động dịch dọc theo chiều trục Z chỉ thay đổi sau mỗi lớp cắt đã hoàn thành và hoàn toàn không thay đổi theo trong quá trình cắt.
b. Đánh giá phương pháp
Phương pháp chạy dao theo lớp tròn xoay đem lại bề mặt chi tiết sau khi gia công các biên dạng cong của chi tiết trơn hơn. Do được cắt trên từng lớp cắt trên bề mặt chi tiết nên tương quan của các lớp cong trên bề mặt chi tiết có độ chính xác cao hơn, đảm bảo được đường kính cũng như độ nhám trên các lớp cắt.Chi tiết cũng có chuyển động xoay tròn trong quá trình cắt nên đảm bảo được độ đồng tâm của chi tiết sau khi gia công.
Nguyễn Long Lâm 39 11BCTM.KH Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là trong quá trình cắt tồn tại cả lực dọc trục và lực hướng kính. Chính vì vậy, khi gia công các chi tiết có chiều dài lớn, chi tiết có thể bị cong do tác động của lực hướng kính làm giảm độ đồng tâm cũng như độ chính xác của chi tiết sau khi gia công.
2.5.2 Phƣơng pháp chạy dao dọc trục
a. Đặc điểm quỹ đạo dao và máy :
Chạy dao dọc trục là phương pháp ăn dao phổ biến trong các máy phay bề mặt hiện nay. Với phương pháp này, dữ liệu thu được sau quá trình đo quét cũng được chia thành nhiều lớp.Biên dạng của chi tiết trên từng lớp chính là giao tuyến của mặt phẳng chứa trục Z và vuông góc với mặt phẳng XZ.
Với phương pháp này, dao sẽ có 3 chuyển động chính : chuyển động quay dao, chuyển động tịnh tiến theo trục Y và chuyển động hướng kính.Vì vậy, quỹ đạo chuyển động của dao chính là đường sinh của bề mặt chi tiết. Chuyển động hướng kính sẽ bám theo chiều sâu cắt phù hợp nhằm gia công phôi đạt được độ chính xác cao nhất về đường kính.Chuyển động tịnh tiến của bàn gá dao theo trục Y làm dao cắt dọc theo chiều dài của phôi.Trong phương pháp chạy dao dọc trục, sau khi hoàn thành một lớp cắt, phôi sẽ quay quanh trục Z một góc xác định để tiến đến lớp tiếp theo.
Bởi vậy, quỹ đạo của dao là một đường sinh trên bề mặt chi tiết gia công. Chuyển động của bàn gá dao là những chuyển động chính trong suốt quá trình cắt.
b. Đánh giá phương pháp :
Phương pháp chạy dao dọc trục có lực hướng kính trong quá trình cắt bé và gần như chỉ tồn tại lực dọc trục.Chính vì thế, khi gia công các chi tiết có chiều dài lớn thì lực cắt không làm cong vênh phôi. Đảm bảo được độ đồng tâm và đường biên dạng trên dọc chiều dài của phôi. Phương pháp này phù hợp cho các chi tiết có dạng rãnh dọc theo chiều dài bề mặt như chi tiết rãnh then,…
Nguyễn Long Lâm 40 11BCTM.KH Phương pháp này có nhược điểm là không đảm bảo được độ đồng tâm của chi tiết sau gia công. Ngoài ra, sau mỗi lần cắt trên một đường sinh chi tiết lại quay một góc xác định làm cho chi tiết sau gia công không được trơn trên toàn bộ bề mặt.
2.5.3 Phƣơng pháp chạy dao xoắn :
Đây là một phương pháp chạy dao phức tạp và chỉ nên dùng cho các chi tiết có dạng xoắn ốc như vít me…
Trong chuyển động của quá trình cắt, toàn bộ các chuyển động của máy đều được thực hiện đồng thời tạo thành quỹ đạo xoắn.Tuy nhiên, đây là phương pháp phức tạp trong quá trình phân tích dữ liệu đo quét và đưa vào ra các dữ liệu tọa độ trong khi gia công phay. Ngoài ra, phương pháp này yêu cầu độ chính xác điều khiển cao do trong quá trình chuyển động thì cả 3 trục X, Y,Z đều tham gia.Chính vì vậy, để đạt được độ chính xác cao khi gia công bằng phương pháp chạy dao xoắn ốc không những đòi hỏi về độ chính xác điều khiển mà còn đòi hỏi về độ chính xác trong quá trình phân tích dữ liệu.Các dạng chi tiết gia công không nhiều như 2 phương pháp nêu trên.
Kết luận : Dựa vào đặc tính của các phương pháp chạy dao và độ chính xác cũng như dạng chi tiết gia công. Chúng ta có thể thấy phương pháp chạy dao theo từng lớp tròn xoay là phù hợp nhất với các chi tiết xoay có biên dạng phức tạp và chiều dài không quá lớn
2.6 Nguyên lý tính toán lượng dư gia công
Dựa vào những phân tích, đánh giá và chọn lựa về phương pháp gia công ở trên. Chúng ta có thể xây dựng nên nguyên lý cơ bản để xác định lượng dư gia công trong mỗi bước chạy dao.Ở đây, quá trình gia công được chia thành 2 nguyên công chính : gia công thô và gia công tinh.
Hiện nay, trong gia công cơ khí thường sử dụng 2 phương pháp tính lượng dư gia công : Phương pháp thống kê kinh nghiệm và phương pháp tính toán phân tích.
Nguyễn Long Lâm 41 11BCTM.KH a. Phương pháp thống kê kinh nghiệm được dùng rất phổ biến trong thực tế sản xuất.Lượng dư trong gia công được xác định theo kinh nghiệm.Giá trị lượng dư thường được tra theo bảng sổ tay thiết kế công nghệ.Tuy nhiên, phương pháp này không xét đến những điều kiện gia công cụ thể nên giá trị lượng dư thường lớn hơn