›

Tiểu luận Thiết kế chế tạo máy Scan 3D

pdf 70 trang thiennha21 14/04/2022 4890
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tiểu luận Thiết kế chế tạo máy Scan 3D", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdftieu_luan_thiet_ke_che_tao_may_scan_3d.pdf

Nội dung text: Tiểu luận Thiết kế chế tạo máy Scan 3D

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ    TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: SINH VIÊN THỰC HIỆN: Ths.Đường Khánh Sơn Huỳnh Tuấn Phong (MSSV: 1700221) Ngành:Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử 2017 Nguyễn Hải Đăng (MSSV: 1700379) Ngành:Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử 2017 Cần Thơ - 2021
  2. NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XẾT GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Cần Thơ, ngày tháng năm 2021
  3. NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG NHẬN XÉT HỘI ĐỒNG Cần Thơ, ngày tháng năm 2021
  4. NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KỸ THUẬT – CÔNG NGHÊ CẦN THƠ Độc lập – Tự do – Hạnh phúc KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ NHIỆM VỤ TIỂU LUẬN ĐẠI HỌC Họ tên sinh viên: HUỲNH TUẤN PHONG MSSV: 1700221 Ngày, tháng, năm, sinh: 25/10/1998 Nơi sinh: Cà Mau Ngành: Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử Mã số: 7510203 Họ tên sinh viên: NGUYỄN HẢI ĐĂNG MSSV: 1700379 Ngày, tháng, năm, sinh: 06/05/1999 Nơi sinh: Cà Mau Ngành: Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử Mã số: 7510203 TÊN DỀ TÀI: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG  Nhiệm vụ: Ứng dụng công nghệ thiết kế ngược vào quá trình thiết kế sản phẩm.  Nội dung: - Thiết kế, chế tạo mô hình máy Scan 3D - Thiết kế mạch điều khiển hoàn chỉnh THỜI GIAN GIAO ĐỀ TÀI: 15/02/2021 THỜI GIAN HOÀN THÀNH: 18/06/2021 Cần Thơ, ngày tháng năm 2021 KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ
  5. LỜI CẢM ƠN LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô của trường đại học kỹ thuật - công nghệ Cần Thơ đặc biệt là thầy cô ở khoa kỹ thuật cơ khí đã tạo điều kiện cho em hoàn thành đề tài nghiên cứu của mình. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất dành đến thầy Đường Khánh Sơn đã nhiệt tình hướng dẫn và hỗ trợ em để hoàn thành đề tài tiểu luận. Trong quá trình thực hiện đề tài khó tránh khỏi những sai sót, rất mong quý thầy cô bỏ qua. Đồng thời do trình độ về lý luận cũng như chuyên môn còn hạn chế khó tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, phản hồi từ quý thầy cô để em có thể rút ra kinh nghiệm quý báo và xa hơn có thể ứng dụng trong thực tiễn sau này. Em xin chân thành cảm ơn! SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG I
  6. LỜI CAM ĐOAN LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan nội dung của tiểu luận thiết kế chế tạo máy Scan 3D được thực hiện bởi nhóm em, từ cơ sở lý thuyết đến thực nghiệm trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Nhằm hướng đến mục tiêu đặt ra là thiết kế chế tạo mô hình máy Scan 3D với quy mô học tập và nghiên cứu. Quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài đã được sự cho phép của Khoa Kỹ Thuật Cơ Khí thuộc Trường Đại Học Kỹ Thuật - Công Nghệ Cần Thơ thông qua sự hướng dẫn của thầy Đường Khánh Sơn.Trong bài thuyết minh có sử dụng những hình ảnh, số liệu, tài liệu khoa học, tài liệu về kỹ thuật để tham khảo điều được trích dẫn và ghi chú nguồn gốc rõ ràng. Em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm liên quan đến quyền tác giả của đề tài tiểu luận này. Sinh viên thực hiện SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG II
  7. LỜI NÓI ĐẦU LỜI NÓI ĐẦU Đất nước ta đang bước vào thời kì công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước với nhiều thuận lợi và khó khăn thách thức. Sự phát triển nhanh chóng của cách mạng khoa học nói chung trong lĩnh vực tự động hóa nói riêng làm cho bộ mặt xã hội đất nước biến đổi từng ngày từng giờ. Chính vì thế việc cần thiết nhất là ứng dụng các tiến bộ về khoa học kỹ thuật vào sản xuất chế tạo nhằm tạo ra những sản phẩm có năng suất, chất lượng cao, giá thành hợp lý ngày càng trở nên cấp thiết, đặc biệt đối với những nước đang trong thời kì phát triển như nước ta. Gần đây, phong trào tự chế máy Scan 3D, đã và đang được nhiều bạn sinh viên quan tâm. Tuy nhiên trong quá trình chế tạo vẫn còn nhiều hạn chế. Do đó, để cập nhật kiến thức đồng thời giúp các bạn học sinh, sinh viên hiểu nhiều hơn về công nghệ thiết kế ngược, đó chính là lý do chúng em chọn đề tài “Thiết Kế Chế Tạo Máy Scan 3D”. Thiết kế ngược là cụm từ còn khá xa lạ đối với nhiều người nói chung và người trong nghề kỹ thuật nói riêng. Công nghệ thiết kế ngược là một quá trình tập hợp nhiều loại công nghệ khác nhau. Theo cách truyền thống, để sản xuất được một sản phẩm người ta sẽ bắt đầu từ việc nghĩ ra ý tưởng rồi phác thảo ý tưởng đó ra giấy. Sau đó là các bước như tính toán nguyên vật liệu phù hợp, tạo ra sản phẩm thật rồi kiểm tra và phát triển sản phẩm cho hoàn thiện. Cuối cùng đưa ra sản xuất đại trà. Đây là quá trình chế tạo truyền thống hay còn gọi là “thiết kế thuận hay thiết kế xuôi". Tuy nhiên, cuộc cách mạng công nghiêp 4.0 đã đi ngược lại với cách của truyền thống. Công nghệ thiết kế ngược được ra đời dựa trên phát minh của máy Scan 3D. Thiết kế ngược được hiểu là công nghệ chế tạo ngược từ dữ liệu Scan 3D. Nghĩa là thiết kế từ một mẫu đã có sẵn. Sử dụng thiết bị Scan 3D (quét 3D) để chụp lại biên dạng 3 chiều của mẫu, sau đó dữ liệu file quét 3D được xuất sang phần mềm thiết ngược (Geomagic designX, Cimatron, Inventor, Solidwworks, ProE, Catia ) để SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG III
  8. LỜI NÓI ĐẦU tiến hành thiết kế. Phần mềm thiết kế ngược cũng cho phép người dùng có thể thay đổi kích thước, kiểu dáng thiết kế theo ý muốn. Việt Nam đã và đang có nền công nghiệp phát triển năng động, vì thế cũng không thể đứng ngoài trào lưu công nghệ, các mặt của đời sống sản xuất điều cần có sự tiến bộ so với bạn bè quốc tế. Ứng dụng công nghệ thiết kế ngược, hiện nay đang rất cần thiết cho quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa. Giúp nâng cao năng suất sản phẩm, giảm thiểu chi phí đầu tư, tăng cấp chính xác, đáp ứng nhu cầu cạnh tranh hiện nay. Em hy vọng đề tài này sẽ đóng góp vào phục vụ đời sống sản xuất, nâng cao năng suất lao động. Nâng cao ý thức tự học, tự nghiên cứu trong học sinh, sinh viên đặc biệt là các sinh viên của trường Đại học Kỹ Thuật - Công Nghệ Cần Thơ. Có thể phát triển xa hơn với việc đưa sản phẩm ra thị trường, hạn chế việc phải phụ thuộc vào các nguồn sản phẩm nhập ngoại, giúp hạ giá thành sản phẩm cũng như đưa việc ứng dụng công nghệ kỹ thuật vào sâu trong đời sống sản xuất. SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG IV
  9. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I LỜI CAM ĐOAN II LỜI NÓI ĐẦU III MỤC LỤC iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH ẢNH iv DANH MỤC BẢNG vi CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1 1.1 Lý do và mục đích chọn đề tài 1 1.1.1 Lý do chọn đề tài 1 1.1.2 Mục đích nghiên cứu 2 1.2 Nội dung và giới hạn đề tài 2 1.2.1 Nội dung nghiên cứu 2 1.2.2 Mục tiêu và giới hạn đề tài 2 1.3 Giới thiệu về công nghệ thiết kế ngược 3 1.3.1 Khái niệm 3 1.3.2 Ưu nhược điểm của công nghệ thiết kế ngược 5 1.3.3 Quy trình công nghệ thiết kế ngược 5 1.3.4 Các ứng dụng của công nghệ thiết kế ngược 7 1.3.5 Nguyên lý máy quét Scan 3D 11 1.4 Một số máy Scan 3D hiện nay 14 1.4.1 Máy Afinia EinScan-SE (Elite) 14 1.4.2 Máy Scan 3D Cybergage360 15 1.5 Máy Scan 3D khác 17 SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG iii
  10. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 1.5.1 Máy Scan 3D nhóm sinh viên trường đại học Bách Khoa Hà Nội 17 1.5.2 Máy quét 3D của kỹ sư Phan Huỳnh Lâm trường đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. 18 1.6 Rút ra kết luận 19 1.7 Phương pháp nghiên cứu 19 CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D 20 2.1 Thiết kế máy Scan 3D 20 2.2 Thiết kế hệ thống điện 24 2.2.1 Khối điều khiển 24 2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển trung tâm 26 2.2.2.1 Arduino Uno R3 26 2.2.2.2 CNC Shield V3 31 2.2.2.3 Driver điều khiển động cơ bước A4988 32 2.2.2.4 Nguồn cho hệ thống 34 2.2.2.5 Sơ đồ kết nối mạch điện 35 2.2.3 Cơ cấu chấp hành 36 2.2.3.1 Động cơ bước 36 2.2.4 Đầu Laser 5mW vạch ngang 43 2.3 Camera 46 2.3.1 Webcam logitech C270 46 2.3.2 Cân chỉnh Camera 46 2.4 Các phần mềm hỗ trợ 49 CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 50 3.1 Chế tạo thành công 50 3.2 Hướng cải tiến 54 SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG iv
  11. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT RE Reverse engineering CAD Compurter aided design CAM Compurter aided manufacturing CAE Computer aided engineering CAPP Computer aided process planning RP Rapid propotyping CNC Computerized numerical control SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG v
  12. DANH MỤC HÌNH ẢNH No table of figures entries found.DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Quy trình sản xuất sản phẩm công nghiệp 1 Hình 1.2: Quy trình lấy mẫu áp dụng công nghệ thiết kế ngược 4 Hình 1.3: Quy trình thiết kế thuận và Quy trình thiết kế ngược 6 Hình 1.4: Công nghệ RE dựng mô hình CAD cho các tác phẩm nghệ thuật 7 Hình 1.5: Ứng dụng công nghệ tái tạo lấy mẫu hoa văn thủ công 7 Hình 1.6: Ứng dụng RE thiết kế lại sản phẩm cơ khí phức tạp 8 Hình 1.7: Ứng dụng RE trong khảo cổ học 9 Hình 1.8: Ứng dụng RE tạo mảnh sọ não dùng trong y học 9 Hình 1.9: Sử dụng RE thiết kế nhân vật và môi trường trong Game 10 Hình 1.10: Quy trình sản xuất tạo khuôn mẫu 10 Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý máy quét laser 3D 11 Hình 1.12: Quan hệ dịch chuyển vật và dịch chuyển ảnh 11 Hình 1.13: Máy quét 3D EinScan-SE (Elite) với bàn xoay 14 Hình 1.14: Máy Scan 3D Cybergage360 15 Hình 1.15: Chống phản xạ đa chiều 3D - MRS) 16 Hình 1.16: Máy quét cơ thể người của nhóm sinh viên 17 Hình 1.17: Máy quét 3D của kỹ sư Phan Huỳnh Lâm 18 Hình 2.1: Tổng thể máy Scan 3D 20 Hình 2.2: Ảnh tổng thể 3D của máy Scan 3D 20 Hình 2.3: Bản vẽ bàn xoay 21 Hình 2.4: Bản vẽ khớp nối động cơ 22 Hình 2.5: Bản vẽ thân trên của máy 22 Hình 2.6: Bản vẽ đầu gá laser 23 Hình 2.7: Bản vẽ đầu nối các trục 23 Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống 24 Hình 2.9: Lưu đồ giả thuật máy Scan 3D 26 Hình 2.10: Arduino Uno R3 28 Hình 2.11: CNC Shield V3 31 Hình 2.12: CNC Shield V3 kết hợp cùng A4988 31 SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG iv
  13. DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.13: Driver điều khiển động cơ bước A4988 32 Hình 2.14: Sơ đồ nối dây A4988 33 Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý của A4988 33 Hình 2.16: Nguồn Adapter 12V 34 Hình 2.17: Sơ đồ kết mạch điện 35 Hình 2.18: Mạch điện khi được hoàn chỉnh 36 Hình 2.19: Động cơ bước 37 Hình 2.20: Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 39 Hình 2.21: Sơ đồ nguyên lý động cơ bước biến từ trở 39 Hình 2.22: Động cơ bước hỗn hợp 40 Hình 2.23: Điều khiển động cơ bước 41 Hình 2.24: Động cơ Step 42 sữ dụng trong đề tài 42 Hình 2.25: Kích thước động cơ Step 42 42 Hình 2.26: Cấu tạo cơ bản của nguồn phát 43 Hình 2.27: Laser 5mW vạch ngang 44 Hình 2.28: Webcam Logitech C270 46 Hình 2.29: Bảng cân chỉnh camera 47 Hình 2.30: Cân chỉnh các thông số 47 Hình 2.31: Camera đã nhận điểm ảnh trên bảng cân chỉnh 48 Hình 2.32: Bảng cân chỉnh đặt trên bàn xoay của máy 48 Hình 3.1: Tổng thể của máy Scan 3D 50 Hình 3.2: Khi máy chưa cân chỉnh thông số 51 Hình 3.3: Khi máy đã chỉnh các thông số phù hợp 51 Hình 3.4: Ảnh quét ca nước 52 Hình 3.5: Ảnh sau khi được xử lý bằng phần mềm meshlab 53 SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG v
  14. DANH MỤC BẢNG DANH MỤC BẢNG Bảng 2-1: Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3 29 Bảng 2-2 Bảng thông số kỹ thuật của A4988 34 Bảng 3-1: So sánh kích thước ảnh thực tế và ảnh sau khi Scan chậu cây 53 SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG vi
  15. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1 Lý do và mục đích chọn đề tài 1.1.1 Lý do chọn đề tài Ngày nay, ngành công nghiệp sản xuất đang được xem là ngành kinh kế trọng điểm của toàn thế giới nói chung và của Việt Nam nói riêng. Phương pháp để tạo ra sản phẩm nhanh chóng, chính xác, mẫu mã đẹp đang là vấn đề được các nhà máy, cơ quan xí nghiệp quan tâm hàng đầu. Việc thiết kế dựa theo sản phẩm đã có sẵn trước đây phải trải qua một giai đoạn thiết kế, chế tạo mất khá nhiều thời gian, sản phẩm tạo ra không được như ý muốn. Chính vì vậy, cần có một giải pháp nào đó áp dụng để giải quyết các vấn đề này nhằm mang đến sự tiện lợi, dễ dàng, nhanh chóng cho công ty, cũng như các trung tâm nghiên cứu, trường học và những người đam mê khám phá công nghệ. Hình 1.1: Quy trình sản xuất sản phẩm công nghiệp Hiện nay với xu hướng phát triển không ngừng của công nghệ như công nghệ xử lý ảnh qua camera, bảo mật thẻ RFID. Việc áp dụng xử lý ảnh vào quá trình tạo ra sản phẩm sẽ dễ dàng thận tiện và nhanh chóng hơn. Ở Việt Nam ngành kỹ thuật 3D (thiết kế 3D, scan 3D, tạo mẫu in 3D) đang ngày càng phát triển, là sinh viên ngành kỹ thuật chúng em luôn muốn tìm kiếm học hỏi nhiều điều mới mẽ. Nhận thấy đề đang được phát triển rộng rãi, tính thú vị của nó và nhiều lợi ít mà đề tài mang lại. Từ đó chúng em chọn đề tài Scan 3D để nghiên cứu và chế tạo. SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 1
  16. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1.2 Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu và áp dụng những công nghệ mới theo xu hướng phát triển, tìm hiểu về xử lý ảnh áp dụng để chế tạo mô hình máy Scan 3D gọn nhẹ, dễ dàng sử dụng, độ chính xác cao, thời gian quét vật thể nhanh, khắc phục những nhược điểm trước đó của những máy Scan 3D đã thực hiện. Đây không chỉ là tiểu luận tốt nghiệp để hoàn thành chương trình học tập nghiên cứu tại trường. Mà đối với chúng em đây cũng là lúc mình tận dụng tất cả những kiến thức đã học để làm ra một sản phẩm tốt nhất có thể từ năng lực thực sự của chính mình. Khẳng định năng lực của mình để sau khi ra trường trở thành một kỹ sư có đóng góp nhiều cho nền kỹ thuật nước nhà. 1.2 Nội dung và giới hạn đề tài 1.2.1 Nội dung nghiên cứu Trong đề tài này nhóm sẽ tiến hành nghiên cứu các nội dung sau: - Tìm hiểu ưu và nhược điểm của một số máy Scan 3D có sẵn trên thị trường - Tìm hiểu về xử lý ảnh, nhận diện ảnh từ vật mẫu - Giao tiếp giữa máy tính và Arduino - Tìm hiểu các linh kiện (Arduino, camera, laser, động cơ bước ), vật liệu làm mô hình để thực hiện đề tài máy Scan 3D - Thiết kế và thi công mô hình - Đánh giá kết quả thực hiện - Nhận xét ưu và nhược điểm của đề tài và hướng phát triển 1.2.2 Mục tiêu và giới hạn đề tài Vì một số điều kiện khách quan cũng như chủ quan nên đề tài nhóm tập chung vào một số vấn đề sau: - Thiết kế và xây dựng mô hình máy Scan 3D - Hiệu chỉnh được thông số của máy - Máy hoạt động ổn định, sai số thấp, gọn nhẹ, có thể khắc phục được các hạn chế của những máy Scan 3D trước đó SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 2
  17. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN - Nhận dạng được vật thể, căn chỉnh được ánh sáng, chế độ làm việc cũng như thời gian quét của máy 1.3 Giới thiệu về công nghệ thiết kế ngược 1.3.1 Khái niệm Trong lĩnh vực sản xuất, thông thường để chế tạo ra một sản phẩm, người thiết kế đưa ra ý tưởng về sản phẩm đó, phác thảo ra sản phẩm, tiếp theo là quá trình tính toán thiết kế, chế tạo, rồi kiểm tra, hoàn thiện phác thảo, để đưa ra phương pháp tối ưu, cuối cùng là công đoạn sản xuất ra sản phẩm. Đây chính là chu trình sản xuất truyền thống, là phương pháp sản xuất đã được áp dụng từ bao thế kỷ nay. Phương pháp này còn được gọi là công nghệ sản xuất thuận (Forward Enineering). Trong vài chục năm trở lại đây với sự phát triển với sự phát triển của công nghệ, xuất hiện một dạng sản xuất theo một chu trình mới, đi ngược với sản xuất truyền thống, đó là chế tạo sản phẩm theo hoặc dựa trên một sản phẩm có sẵn. Quy trình này gọi là công nghệ thiết kế ngược (Reverse Engineering) hay cũng được hiểu là công nghệ chép mẫu hay công nghệ chế tạo ngược. Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo, công nghệ thiết kế ngược được định nghĩa là hoạt động tạo ra sản phẩm từ các mẫu sản phẩm cho trước mà không có bản vẽ thiết kế hoặc đã bị mất hay không rõ dàng. Sản phẩm mới được tạo ra trên cơ sở khôi phục nguyên vẹn hoặc phát triển lên từ thực thể ban đầu. Từ khi ra đời vào những năm 90 của thế kỷ trước, công nghệ thiết kế ngược ( Reverse Engineering) đã được nghiên cứu, áp dụng trong nhiều lĩnh vực phát triển nhanh sản phẩm, đặc biệt là trong lĩnh vực thiết kế mô hình 3D từ mô hình đã có sẵn nhờ sự trợ giúp của máy tính. Kỹ thuật thiết kế ngược ngày càng phát triển theo sự phát tiển của các phần mềm CAD/CAM. Nó luôn được quan tâm và cũng liên tục được cải tiến để đáp ứng nhu cầu của xã hội trên nhiều lĩnh vực sản xuất. RE trở thành một bộ phận quan trọng của sản xuất hiện tại. Đã có nhiều công ty của nhiều quốc gia ứng dụng hiệu quả và rất thành công với công nghệ này. Có thể thấy Trung Quốc là một điển hình. Nhiều sản phẩm như xe máy, ô tô, máy móc hàng loạt đồ gia dụng, đồ chơi đã được sản xuất dựa trên sự sao chép các mẫu có sẵn trên thị trường của các SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 3
  18. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN hãng nổi tiếng của Nhật, Hàn Quốc như Honda, Misubishi, Toyota .(Hình 1.2 là một ví dụ minh họa) Sản phẩm thực Sản phẩm sơn trắng để quét Quét mẫu bằng máy ATOS Mô hình sản phẩm sau khi quét Mô hình hóa các bề mặt Mô hình CAD xây dựng lại Hình 1.2: Quy trình lấy mẫu áp dụng công nghệ thiết kế ngược Ở Việt Nam, trong những năm trở lại đây công nghệ thiết kế ngược cũng đã được áp dụng vào sản xuất. Tuy nhiên phần lớn chưa mang tính chuyên nghiệp. Ví dụ như các công ty sản xuất, chế tạo khuôn cho các mặt hàng nhựa, thường khi nhận đơn đặt hàng của các đối tác làm một bộ khuôn cho một mẫu sản phẩm cho trước thì đa số việc số hóa mô hình lấy dữ liệu đều thực hiện một cách thủ công, đo vẽ bằng SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 4
  19. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN tay. Việc ứng dụng các thiết bị số hóa công nghệ cao chuyên dụng, các phần mềm thiết kế ngược vẫn chưa nhiều. Chỉ có một số ít công ty có thể làm theo hợp đồng như công ty Hàn Quốc, trung tâm dịch vụ công nghệ 3D hay các viện trường đại học như trường Đại Học GTVT, Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, Đại Học Bách Khoa Hà Nội có máy quét 3D nhưng chủ yếu vẫn là phục cho học tập và nghiên cứu. 1.3.2 Ưu nhược điểm của công nghệ thiết kế ngược *Ưu điểm + Kiểm tra chất lượng sản phẩm bằng cách so sánh mô hình CAD với sản phẩm, từ đó điều chỉnh mô hình hoặc các thông số công nghệ để tạo ra sản phẩm đạt yêu cầu. + Mô hình CAD đựơc sử dụng như là mô hình trung gian trong quá trình thiết kế bằng cách tạo sản phẩm bằng tay trên đất sét, thạch cao, sáp rồi quét hình để tạo mô hình CAD. Từ mô hình CAD này người ta sẽ chỉnh sửa theo ý muốn. + Giảm bớt thời gian chế tạo dẫn tới năng suất cao. + Chế tạo được nguyên mẫu mà không cần bản thiết kế. * Nhược điểm. + Cần có công nghệ hiện đại là các loại máy quét hình. + Giá thành cao. 1.3.3 Quy trình công nghệ thiết kế ngược Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện đại, quá trình sản xuất sản phẩm ngày càng được chuyên môn hóa, việc chế tạo ra một loại sản phẩm được chia tách thành nhiều công đoạn riêng biệt nhưng có quan hệ mật thiết với nhau theo một tiêu chuẩn chung thống nhất hợp thành quy trình sản xuất. Tuy có nhiều cải tiến mới song qui trình sản xuất hiện nay nhìn chung đều được biểu hiện bằng 2 sơ đồ (Hình 1.3). SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 5
  20. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Trong quy trình thiết kế thuận, xuất phát từ ý tưởng thiết kế (của người thiết kế hoặc của khách hàng mô tả sản phẩm), người thiết kế phác thảo sơ bộ sản phẩm (bản vẽ CAD). Bản vẽ phác thảo này sẽ được tính toán, phân tích, kiểm tra các thông số kỹ thuật, tính công nghệ (Dữ liệu được chuyển từ CAD sang CAE). Sau đó mô hình sẽ được tối ưu hóa đưa ra bản vẽ thiết kế (bản vẽ CAD) hoàn chỉnh. Tiếp theo qua các bước chuẩn bị công nghệ (CAPP), lập trình gia công (CAM), mô phỏng và chế tạo thử mẫu sản phẩm bằng phương pháp tạo mẫu nhanh (RP) hoặc trên các máy công cụ, máy CNC. Mẫu sản phẩm chế tạo này sẽ được đem đi kiểm tra thực tế xem có thỏa mãn các yêu cầu đặt ra hay không. Nếu không đạt thì sẽ quay về chỉnh sửa lại từ bản vẽ phác thảo. Tiếp tục quá trình trên cho tới khi mẫu sản phẩm đạt yêu cầu thì mới đưa vào sản xuất thực sự. Hình 1.3: Quy trình thiết kế thuận và Quy trình thiết kế ngược Còn trong quy trình thiết kế ngược chúng ta làm ngược lại. Xuất phát điểm là một mẫu sản phẩm thực tế (Physical part). Mẫu sản phẩm thực này được số hóa và sử lý bằng các thiết bị và phần mềm chuyên dụng để đưa ra mô hình CAD cụ thể. Sau đó được mô hình CAD cho sản phẩm rồi thì các công đoạn tiếp theo cũng giống như SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 6
  21. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN chu trình sản xuất thuận trải qua các bước tính toán, phân tích, tối ưu hóa trên các phần mềm CAE/CAM, chuẩn bị công nghệ (CAPP) gia công tạo mẫu nhanh hoặc lập trình gia công trên máy CNC hay các máy công cụ khác, kiểm tra thực tế cuối cùng mới đưa vào sản xuất đại trà. 1.3.4 Các ứng dụng của công nghệ thiết kế ngược Với tính ưu việt của mình là mô hình hóa được nhiều chi tiết (kể cả các chi tiết có độ phức tạp cao) một cách nhanh chóng và chính xác đáp ứng tối đa các nhu cầu đa dạng của thị trường trong rất nhiều lĩnh vực : * Trong lĩnh vực nghệ thuật. Hình 1.4: Công nghệ RE dựng mô hình CAD cho các tác phẩm nghệ thuật Hình 1.5: Ứng dụng công nghệ tái tạo lấy mẫu hoa văn thủ công Trong lĩnh vực này công nghệ thiết kế ngược được thể hiện ở việc sao chép hoặc phân tích các đặc điểm, nét vẽ của các kiệt tác hội họa, điêu khắc. Thông thường với các chi tiết yêu cầu cao về tính thẩm mỹ, sản phẩm được mô hình hóa bởi các nhà kỹ thuật (Stylist) trên các chất liệu như đất sét, chất dẻo, gỗ Tuy nhiên các tác phẩm hay các kiệt tác nghệ thuật chỉ là kết quả của một vài nhà nghệ thuật, nhà thiết kế nào đó, trong khi đó ai cũng muốn được có, muốn được thưởng thức chúng. Nhu cầu thị SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 7
  22. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN trường đòi hỏi các sản phẩm phải có 1 số lượng lớn theo một vài phong cách, hay sản phẩm của một số nhà thiết kế mà tác phẩm của họ đã được khẳng định trên thị trường. Để đáp ứng nhu cầu đó cần có được mô hình CAD của sản phẩm mong muốn. Việc này chỉ có thể thực hiện được bằng công nghệ thiết kế ngược. Với các thiết bị hiện đại và sự trợ giúp của máy tính chúng ta có thể xây dựng được các dự liệu CAD giống hệt mô hình thật do các nhà mỹ thuật tạo ra với dung sai nhỏ (hình 1.6, hình 1.7). Công nghệ RE có vai trò rất lớn trong cải tiến mẫu mã sản phẩm. Yêu cầu về thời gian không cho phép chúng ta khi chế tạo một mẫu mã mới, có thể bắt đầu chu trình sản xuất từ khâu phác thảo thiết kế tới tính toán, tối ưu, chế thử kiểm tra kiểm nghiệm mới đưa vào sản xuất vì quá trình trên tốn rất nhiều thời gian, công sức. Do vậy mà chúng ta phải biết kế thừa các mẫu sản phẩm đã được tối ưu, đạt các tiêu chuẩn kiểm tra, trên cơ sở đó ta thiết kế lại phù hợp với yêu cầu mới để có được một mẫu mã mới. Như vậy sẽ giảm được thời gian thiết kế, rút ngắn thời gian đưa sản phẩm vào thị trường, tức là giảm thời gian của chu trình sản xuất (Lead time). Với nhu cầu của thị trường thay đổi liên tục từng ngày như hiện nay, công ty nào sớm đưa ra được mẫu mã mới sẽ chiếm được thị phần và giành được lợi nhuận cao nhất. Còn công ty nào đưa ra sản phẩm mới chậm hơn sẽ không còn cơ hội có được lợi nhuận. Mô hình quét mẫu sản phẩm Mô hình CAD đưa ra Hình 1.6: Ứng dụng RE thiết kế lại sản phẩm cơ khí phức tạp Công nghệ RE còn được sử dụng khi cần thay thế một chi tiết, bộ phận mà nhà sản xuất không còn cung cấp, chúng ta phải chế tạo lại chúng mà không hề có bản vẽ thiết kế. Hay khi muốn sản xuất theo mẫu mã mới tối ưu trên thị trường mà nhà thiết SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 8
  23. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN kế ra chúng làm mất, làm hỏng, hoặc không muốn cung cấp tài liệu thiết kế. Đặc biệt là khi sản phẩm có hình dạng rất phức tạp, khó miêu tả như hình người, hình con vật. Trong khảo cổ học, công nghệ RE cho phép khôi phục hình dạng của các sinh vật thời tiền sử dựa trên các hóa thạch cổ thu được trong đất, đá, hay trong băng mà không hề làm tổn hại hay phá hoại mẫu hóa thạch đó. RE còn cho phép chúng ta dựng lại các mẫu tượng cổ, khôi phục lại các công trình kiến trúc, nghệ thuật cổ đã bị tàn phá trong lịch sử Hình 1.7: Ứng dụng RE trong khảo cổ học Trong y học: Công nghệ thiết kế ngược cho phép chúng ta có thể tạo ra các bộ phận cơ thể phù hợp cho từng bệnh nhân trong thời gian ngắn để thay thế các khuyết tật, các bộ phận hỏng, bị tổn thương, bị hư hại do tai nạn hoặc do bẩm sinh như xương, khớp, răng hàm, mảnh sọ não Mô hình CAD Chương trình gia công Khuôn bằng nhôm Hình 1.8: Ứng dụng RE tạo mảnh sọ não dùng trong y học SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 9
  24. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Trong thời trang, RE trợ giúp đắc lực cho các nhà thiết kế tạo các trang phục, các mẫu mã theo hình dáng con người. Hình 1.9: Sử dụng RE thiết kế nhân vật và môi trường trong Game Công nghệ RE còn được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giải trí, mô phỏng như thiết kế các nhân vật trong Game 3D, tạo các môi trường giao diện ảo trong Game phục vụ giả trí, làm phim ảnh hay mô phỏng một quá trình nào đó phục vụ cho một mục đích nào đó. Công nghệ RE còn được áp dụng trong một vài lĩnh vực khác nữa. Nói chung cứ ở đâu cần thiết kế đưa ra mô hình CAD thì ở đó có thể áp dụng công nghệ RE. Xu hướng của nền sản xuất hiện đại hướng đến tiêu chí JIT (Just – In– Time là tiêu chí ngắn thời gian chế tạo sản phẩm). Với tiêu chí, khoảng thời gian từ lúc đặt hàng sản phẩm cho đến khi có sản phẩm thật đã rút ngắn đi rất nhiều, có thể tính theo ngày, theo giờ thay vì tính theo quý, theo tuần hay theo tháng trước kia. Với tính ưu việt về thời gian và độ chính xác, công nghệ thiết kế ngược hứa hẹn sẽ là công nghệ thiết kế chủ đạo của nền sản xuất. Hình 1.10: Quy trình sản xuất tạo khuôn mẫu SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 10
  25. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.3.5 Nguyên lý máy quét Scan 3D Công nghệ Scan 3D là một trong ứng dụng của công nghệ đo không tiếp xúc. Trong quá trình đo, máy sử dụng chùm ánh sáng Laser chiếu vào bề mặt của chi tiết cần đo, chùm tia sáng được phản xạ lại từ bề mặt chi tiết được cảm ứng đo thu lại đưa vào bộ phận biến đổi của máy đo và với sự hỗ trợ của máy tính và phần mềm điều khiển đo cho ra kết quả của chi tiết đo dưới dạng đám mây điểm. Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất máy Scan 3D như: Faro Arm, Metris, Konika Mỗi hãng có phần mềm Scan 3D khác nhau, đưa ra độ chính xác khác nhau và sử dụng tia sáng Laser có bước sóng khác nhau như Konika sử dụng ánh sáng Laser cấp I còn Faro Arm lại sử dụng ánh sáng Laser cấp II Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý máy quét laser 3D a) Nguyên lý làm việc của máy scan laser 3D Hình 1.12: Quan hệ dịch chuyển vật và dịch chuyển ảnh SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 11
  26. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Hình 1.12 thể hiện quan hệ dịch chuyển giữa vệt sáng trên vật và ảnh của nó trên CCD. Trong đó: Đèn phát Laser: có nhiệm vụ phát ra ánh sáng Laser có bước sóng thích hợp. Thấu kính: có nhiệm vụ lọc và hội tụ tia Laser được phản xạ lại từ bề mặt của chi tiết lên bề mặt của cảm biến CCD. Cảm biến CCD: Có nhiệm vụ thu nhận tia Laser được phản xạ từ bề mặt chi tiết trên cơ sở so sánh các góc lệch giữa chúng và đưa ra tín hiệu điện khác nhau. Xử lí của phần mềm máy tính: Máy tính với sự hỗ trợ của phần mềm máy tính có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu điện từ CCD gửi tới và xử lý tín hiệu đó để đưa ra kết quả là đám mây điểm. Chỉ thị: Đưa ra kết quả đo chi tiết được xử lý từ máy tính là đám mây điểm. Thực chất về nguyên lý của Scan 3D giống như quá trình chụp ảnh thông thường, nhưng chụp ảnh của Scan 3D là quá trình chụp ảnh các vật thể ở dạng ảnh ba chiều, trong khi đó nếu là chụp ảnh thông thường thì chỉ là ảnh hai chiều. Máy Scan 3D sử dụng cảm biến Laser và gán vào một hệ thống máy đo, hệ thống này được định vị và được kiểm soát bằng máy tính. Vật cần đo được đặt trực tiếp trên bàn hoặc được treo cố định hoặc cũng có thể gá một vị trí bất kỳ trong không gian như các tượng đài, nhà cửa Đây là một lợi thế nổi trội của máy Scan 3D. Với sự hỗ trợ của phần mềm kiểm soát quét sẽ điều chỉnh cảm biến laser lướt trên bề mặt của vật cần quét, bộ phận định vị 3D nằm trên bề mặt của bộ cảm biến sẽ ghi lại các tín hiệu phản hồi được đưa ra bởi hệ thống quét theo góc phản xạ của chùm ánh sáng được bề mặt của chi tiết phản xạ lại và tín hiệu này được so sánh với tham số mẫu, từ đó đưa ra cho ta kết quả đo là đám mây điểm. Tất cả các hệ thống quét trong công nghệ Scan 3D đều sử dụng công nghệ dựa trên phép đạc tam giác laser. Bản chất của công nghệ này là máy ảnh hai chiều chụp ảnh dựa vào dải sáng laser như trong hình vẽ. Dải sáng được phát ra từ một diode quang thông qua các bộ phận biến đổi quang học sau đó được chiếu vào bề mặt của SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 12
  27. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN vật được quét tạo nên một mặt cắt trên phần bề mặt được chiếu sáng, ánh sáng phản chiếu tạo ra các ảnh điểm trên đường chiếu được một trong hai bộ cảm ứng thu lại. Lý do có hai bộ phận cảm ứng thay vì một là: có thể vì một lý do nào đó hình ảnh nghiêng trên bề mặt của vật thật không được một bộ phận cảm ứng nhận biết và luôn cần có một bộ phận cảm ứng thứ hai có thể bắt được hình ảnh đó. Người sử dụng có thể bật hai bộ phận cảm ứng nhưng chỉ một bộ phận cảm ứng hoạt động trong một thời điểm. b) Ưu, nhược điểm của công nghệ Scan 3D. Ưu điểm - Kết cấu nhỏ gọn: Máy Scan 3D kết cấu nhỏ gọn. - Gá đặt đơn giản: Khi quét chi tiết thì không cần phải gá đặt cầu kì mà có thể được đặt trên bàn hoặc có một vị trí bất kì trong phạm vi làm việc của máy. - Dễ dàng xử lí kết quả: Cho ra kết quả là đám mây điểm rất dễ dàng xử lí trên các phần mềm xử lý điểm chuyên dụng như: Geomegic, Catia, Meslab - Đo được nhiều những vật có độ phức tạp mà máy đo thông thường không thể đo được. - Độ phân giải cao: Khi quét cho ra được số liệu bề mặt đầy đủ hơn chi tiết cần quét. - Quét được nhiều kích thước sản phẩm khác nhau như toà nhà, tượng đài - Quét được các mẫu dạng mềm như xà phòng, đất nặn - Kiểm tra các bề mặt và so sánh với các điểm. Nhược điểm - Trước khi đo những bề mặt có màu không phản quang phải sơn lại màu cho chi tiết đo nên có thể làm ảnh hưởng đến những chi tiết mẫu có yêu cầu cao thẩm mĩ về màu sắc. SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 13
  28. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.4 Một số máy Scan 3D hiện nay 1.4.1 Máy Afinia EinScan-SE (Elite) Hiện nay, máy Scan 3D đã và đang được sử dụng rất nhiều trong sản xuất. Với tính chất của tia laser, cho phép chúng ta sử dụng và đưa ra rất nhiều sản phẩm vô cùng chất lượng. Đặc biệt, Máy quét 3D EinScan-SE (Elite) với bàn xoay từ Afiniacó thể tạo ra các mô hình 3D với độ chính xác cao cho một loạt các ứng dụng thiết kế và in 3D sáng tạo. EinScan-SE có thể quét bằng hai chế độ:quét tự động và quét cố định. Hình 1.13: Máy quét 3D EinScan-SE (Elite) với bàn xoay Ưu điểm: - Độ chính xác ≤0,1mm với công nghệ chuyển pha ánh sáng - Quét các mục nhỏ đến 1,2 x 1,2 x 1,2 ". Kích thước quét tối đa ở chế độ tự động lớn hơn, lên đến 27,6 x 27,6 x 27,6" - Quá trình quét tự động mất khoảng 2 phút để hoàn thành, trong khi quá trình quét cố định mất khoảng 8 giây - Quét có thể được thực hiện chỉ với một cú nhấp chuột, làm cho trải nghiệm thân thiện với người dùng - Các mô hình kỹ thuật số do EinScans tạo ra đã sẵn sàng để in trên máy in 3D như Afinia H800 +, H480 hoặc H400 - Quét ánh sáng trắng an toàn hơn quét laser. Ánh sáng trắng được tạo ra bởi một máy chiếu rất giống với những ánh sáng được sử dụng trong lớp học và văn phòng SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 14
  29. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN - EinScan-SE có trọng lượng nhẹ và có thể mang đi hầu hết mọi nơi Mảng ứng dụng thực tế: quét 3D mẫu đồ chơi, các chi tiết tượng đắp tay, sản phẩm vật phẩm phong thủy. Nhận xét: máy afinia EinScan-SE hoạt động tốt, thời gian quét mẫu nhanh, chi tiết đẹp, mỗi lần quét tạo ra tệp dữ liệu 3D chất lượng cao nhưng giá thành còn khá đắt (56.800.000 vnđ) đối với người sử dụng, kỹ sư và các sinh viên trong ngành kỹ thuật trong quá trình nghiên cứu và học tập. 1.4.2 Máy Scan 3D Cybergage360 Hình 1.14: Máy Scan 3D Cybergage360 Máy Scan 3D Cybergage360 được thiết kế và sản xuất bởi hãng Cyberoptic Hoa kỳ. Sự kết hợp chưa từng có tiền lệ của tốc độ, sự chính xác và cơ chế điều khiển tối giản “một nút” cho hệ thống kiểm tra 3D tự động không tiếp xúc tăng tốc quy trình đảm bảo chất lượng kiểm tra sản phẩm đầu vào và đầu ra trong chuỗi sản xuất, hạ thấp chi phí chất lượng và tăng tốc thời gian sản phẩm ra thị trường. Ưu điểm: Quét tự động chính xác cao toàn bộ 360 độ bề mặt của mẫu với sai số 10 microns. SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 15
  30. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Tích hợp công nghệ Ngăn Chặn Phản Xạ đa phương được đăng ký bản quyền bởi CyberOptics. Giúp hạn chế sự biến dạng đo lường của hệ thống đo lượng quang số cấp chính xác cao. Hình 1.15: Chống phản xạ đa chiều 3D - MRS) - Quét mẫu đơn giản với cơ chế điều khiển tự động một nút. -Tăng tốc lựa chọn chương trình nhiệm vụ với Bar Code Part ID - Cung cấp sự vận hành thân thiện với môi trường làm việc trong nhà máy và thời gian đào tạo vận hành ngắn - Xuất báo cáo kiểm tra tự động bao gồm so sánh dữ liệu quét 3D với CAD tiêu chuẩn hoặc theo các bản mẫu có sẵn. - Chương trình off-line với các mẫu kiểm tra sơ bộ. - Loại trừ việc kiểm tra phụ thuộc vào đồ gá - Cân chỉnh máy nhanh chóng và đơn giản. Mảng ứng dụng: máy scan 3d CyberGage360 có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp từ ngành tự động hóa, hàng không vũ trụ đến sản xuất sản phẩm điện tử và các lĩnh vực tốc độ kiểm tra sản phẩm đóng vai trò quan trọng trong chuỗi sản xuất. Nhận xét: máy Scan 3D Cybergage360 đạt được độ chính xác cao với công nghệ MRS, sai số thấp, cơ chế điều khiển “một nút” vận hành dễ dàng, hệ thống đo không tiếp súc làm mẫu không bị biến dạng. SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 16
  31. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.5 Máy Scan 3D khác Với việc được tìm hiểu và tiếp cận với công nghệ trong môi trường năng động sáng tạo, nhiều bạn học sinh, sinh viên đã bắt tay nghiên cứu và chế tạo cho riêng mình những dòng máy Scan 3D khác nhau. Tuy nhiên hầu hết trong số đó là để thỏa đam mê tìm tòi học hỏi công nghệ nên các sản phẩm máy Scan 3D còn thô sơ và vận hành với độ chính xác không cao. 1.5.1 Máy Scan 3D nhóm sinh viên trường đại học Bách Khoa Hà Nội Hình 1.16: Máy quét cơ thể người của nhóm sinh viên Bắt tay vào thực hiện từ năm 2014, công trình “máy quét 3D kích thức cơ thể người” do nhóm sinh viên Mã Lập Phong (lớp CDT1-k56), của viện cơ khí, đại học Bách Khoa Hà Nội làm trưởng nhóm, nghiên cứu thành sản phẩm hoàn chỉnh. Nghiên cứu được sử dụng trong lĩnh vực y tế và ngành công nghiệp thời trang. Chi phí nghiên cứu: 30 triệu đồng. Máy quét 3D gồm có hệ cơ khí và hệ quang. Hệ cơ khí gồm một bàn quay để người đứng lên , có thể quay 360 độ với tốc độ thấp. Máy chiếu độ phân giải: 1024x768. Phạm vi đo: 500x500x1800(mm). Trọng lượng: 50kg. SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 17
  32. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Nhược điểm : + Đầu đo để quét toàn bộ cơ thể chưa chắn chắc, còn sai số. + Màu sắc bị mờ, nhiễu do ánh sáng. + Thời gian đo còn lâu, thiếu chính xác. Khắc phục: + Cần lắp đặt cố định đầu đo để giảm thiểu sai số. + Cần đặt ở vị trí cố định, căn chỉnh thông số hợp lý. + Cần nghiên cứu tăng độ chính xác, giảm thời gian đo xuống, cải thiện để gọn nhẹ hơn. 1.5.2 Máy quét 3D của kỹ sư Phan Huỳnh Lâm trường đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Hình 1.17: Máy quét 3D của kỹ sư Phan Huỳnh Lâm Trước tình hình hệ thống máy quét 3D được sử dụng rất phổ biến, giúp đẩy mạnh sản xuất, tiết kiệm chi phí và tăng năng xuất, tuy nhiên giá thành lại rất cao. Từ đó kỹ sư Phan Huỳnh Lâm đã xây dựng mô hình máy quét 3D để có thể làm chủ công nghệ, giảm giá thành sản phẩm. Ưu điểm - Giá rẻ - Hoạt động ổn định - Nội địa hóa 100% - Có khả năng quét một lần với độ chính xác cao hơn mà các thiết bị ngoại nhập không làm được. SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 18
  33. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN - Bảo trì bảo dưỡng sản phẩm dễ dàng, thuận tiện Nhược điểm: - Độ chính xác không cao. - Thời gian quét còn lâu. - Máy còn khá to. Khắc phục: - Cải thiện chức năng quét, thời gian quét của máy. - Sử dụng linh kiện tốt hơn - Cải thiện sản phẩm nhỏ gọn hơn, độ phân giải tốt hơn 1.6 Rút ra kết luận Kết luận: Từ việc đi nghiên cứu, đánh giá, nhận xét và rút kinh nghiệm từ những loại máy trên. Trong đề tài này việc thiết kế một máy Scan 3D phải đảm bảo được các ưu điểm nổi bật , đồng thời loại bỏ những điểm yếu cố hữu. Sản phẩm hoàn thiện trong đề tài phải đáp ứng được các tiêu chí sau đây: - Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng di chuyển. - Chất lượng sản phẩm 3D ở mức cao. - Máy có độ bền cao, cứng vững, dễ dàng tháo lắp, vệ sinh. - Sử dụng đa dạng các nhu cầu khác nhau từ nghiên cứu đến thực tiễn. - Sử dụng được trên nhiều vật liệu khác nhau. - Phần mền sử dụng trực quan dễ sử dụng. 1.7 Phương pháp nghiên cứu Để phục vụ cho quá trình nghiên cứu chế tạo máy Scan 3D cần dựa vào lý thuyết của một số môn học như lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật số, thị giác máy tính .kết hợp với những môn chuyên ngành về cơ khí lẫn điện tử và điều khiển, ngoài ra còn tham khảo các tài liệu trên internet về những kiến thức bổ trợ, các phần mềm vận hành cũng như thiết kế máy để có thể phân tích và chọn ra phương án thiết kế máy Scan3D phù hợp nhất thỏa mãn yêu cầu đề tài. SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 19
  34. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D 2.1 Thiết kế máy Scan 3D Dựa vào ưu nhược điểm từ những máy có sẵn trên thị trường, nhóm chúng em đã thiết kế lại để phù hợp với việc học tập, nghiên cứu và phát triển. Hình 2.1: Tổng thể máy Scan 3D Hình 2.2: Ảnh tổng thể 3D của máy Scan 3D SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 20
  35. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D Để cấu tạo nên nên máy gồm 4 chi tiết chính bao gồm: - Bàn xoay (A) có thể quay được 360 độ khi hoạt động, nhờ vậy camara và laser có thể bắt được hình ảnh toàn bộ của vật mẫu cần quét khi vật mẫu được đật trên bàn xoay. - Khớp nối (B) có chức năng kết nối động cơ với bàn xoay, có thể tháo lấp một cách dễ dàng. - Thân trên (C) có chức năng cố định khung máy thông qua các ống sắt tròn có đường kính 12mm, giữ camara cố định khi máy hoạt động. - Đầu gá laser (D) có chức năng cố định laser với thân trên của máy thông qua ống sắt tròn có đường kính 12mm. - Ngoài ra còn có khớp nối 4 đầu để cố định cho khung dưới khi máy hoạt động. Hình 2.3: Bản vẽ bàn xoay SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 21
  36. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D Hình 2.4: Bản vẽ khớp nối động cơ Hình 2.5: Bản vẽ thân trên của máy SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 22
  37. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D Hình 2.6: Bản vẽ đầu gá laser Hình 2.7: Bản vẽ đầu nối các trục SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 23
  38. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D 2.2 Thiết kế hệ thống điện 2.2.1 Khối điều khiển Để máy hoạt động quét cho ra kết quả tốt cần có các khối hoạt động trong hệ thống điện kết nối với nhau, hỗ trợ lẫn nhau. Các khối hệ thống điện được trình bày theo sơ đồ sau đây: Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống Khối điều khiển có chức năng thực hiện chương trình quét trên cơ sở dữ liệu sẵn có và tín hiệu từ bên ngoài, thực hiện các chương trình điều khiển các cơ cấu chấp hành gồm camera, tia laser, động cơ trục chính phối hợp tạo nên biên dạng của vật mẫu. Khối điều khiển gồm các thành phần cơ bản như sau: Màn hình: Dùng để hiện thị giá trị tọa độ hiện tại của hệ thống, trạng thái làm việc cũng như tất cả các thông số của toàn hệ thống. Các khối ra vào (I/O) các bộ phận truyền động liên kết với CPU thông qua một Bus hệ thống. Các khối Flash + Eam để lưu trữ các chương trình điều khiển, dữ liệu máy và liên lạc với CPU thông qua Bus trong CPU. Chương trình điều khiển là phần mềm được viết bằng ngôn ngữ lập trình và lưu giữ trong vật mang tin (băng từ, đĩa từ, đĩa CD hoặc bộ nhớ nào đó) sau đó được nạp SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 24
  39. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D vào hệ điều khiển số qua cửa nạp tương thích với nhiệm vụ tập hợp, chuyển đổi và nạp các tín hiệu điều khiển máy đã được mã hóa từ các chữ cái, số, hình ảnh và một số ký tự đặc biệt khác. Chương trình điều khiển này được ghi vào cơ cấu mang chương trình dưới dạng mã số (mã thập phân, nhị phân ) Với sự hỗ trợ của các chương trình điều khiển tiên tiến hiện nay ta có thể: Tiến hành quét tương đối đơn giản nhanh chóng và chính xác, hạn chế tối đa những lỗi phát sinh do con người, không cần thực hiện các tính toán bằng tay vì những tính toán này điều do chương trình điều khiển thực hiện. Chỉ cần truy cập một số dữ liệu có thể cho ra một số khối lượng lớn các số liệu kết quả cho nhiệm vụ quét. Ngôn ngữ biểu tượng tương đối dễ hiểu mà các từ của nó hợp thành bởi những khái niệm phổ biến trong ngôn ngữ chuyên môn kỹ thuật. Tiết kiệm phần lớn thời gian trong khi mô tả chi tiết cần quét và các quá trình công tác cần thực hiện. Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ cơ cấu từ camera và tia laser để phân tích, nhận dạng cho ra hình ảnh giống như vật mẫu. Bộ nhớ RAM và ROM Bộ nhớ là thành phần quan trọng thứ hai trong hệ thống, không có bộ nhớ thì hệ thống không thể hoạt động được, trong máy tính có hai loại bộ nhớ hay dùng nhất là RAM và ROM Bộ nhớ RAM ( Random Access Memory - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên): Bộ nhớ này lưu các chương trình phục vụ trực tiếp cho quá trình xử lý của CPU, bộ nhớ RAM chỉ lưu trữ dữ liệu tạm thời và dữ liệu sẽ bị xoá khi mất điện. Bộ nhớ ROM ( Read Olly Memory - Bộ nhớ chỉ đọc ) : Đây là bộ nhớ cố định, dữ liệu không bị mất khi mất điện, bộ nhớ này dùng để nạp các chương trình BIOS ( Basic Input Output System - Chương trình vào ra cơ sở ) đây là chương trình phục vụ cho quá trình khởi động máy tính và chương trình quản lý cấu hình của máy. SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 25
  40. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D 2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển trung tâm Hình 2.9: Lưu đồ giả thuật máy Scan 3D 2.2.2.1 Arduino Uno R3 Arduino một nền tảng mã nguồn mở phần cứng và phần mềm. Phần cứng Arduino (các board mạch vi xử lý) được sinh ra tại thị trấn Ivrea ở Ý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit. Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau. Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động. SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 26
  41. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Arduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++. Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác. Một khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là shield. Vài shield truyền thông với board Arduino trực tiếp thông qua các chân khác nhau, nhưng nhiều shield được định địa chỉ thông qua serial bus I²C-nhiều shield có thể được xếp chồng và sử dụng dưới dạng song song. Arduino chính thức thường sử dụng các dòng chip megaAVR, đặc biệt là ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280, và ATmega2560. Một vài các bộ vi xử lý khác cũng được sử dụng bởi các mạch Arduino tương thích. Hầu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và một thạch anh dao động 16 MHz (hoặc bộ cộng hưởng ceramic trong một vài biến thể), mặc dù một vài thiết kế như LilyPad chạy tại 8 MHz và bỏ qua bộ điều chỉnh điện áp onboard do hạn chế về kích cỡ thiết bị. Một vi điều khiển Arduino cũng có thể được lập trình sẵn với một boot loader cho phép đơn giản là upload chương trình vào bộ nhớ flash on-chip, so với các thiết bị khác thường phải cần một bộ nạp bên ngoài. Điều này giúp cho việc sử dụng Arduino được trực tiếp hơn bằng cách cho phép sử dụng 1 máy tính gốc như là một bộ nạp chương trình. Board Arduino sẽ đưa ra hầu hết các chân I/O của vi điều khiển để sử dụng cho những mạch ngoài. Diecimila, Duemilanove, và bây giờ là Uno đưa ra 14 chân I/O kỹ thuật số, 6 trong số đó có thể tạo xung PWM (điều chế độ rộng xung) và 6 chân input analog, có thể được sử dụng như là sáu chân I/O số. Những chân này được thiết kế nằm phía trên mặt board, thông qua các header cái 0.10-inch (2.5 mm). Nhiều shield ứng dụng plug-in cũng được thương mại hóa. Các board Arduino Nano, và Arduino-compatible Bare Bones Board và Board arduino có thể cung cấp các chân header đực ở mặt trên của board dùng để cắm vào các breadboard. SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 27
  42. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D Hình 2.10: Arduino Uno R3 Khi làm việc với Arduino board, một số thuật ngữ sau cần được lưu ý: Flash Memory: bộ nhớ có thể ghi được, dữ liệu không bị mất ngay cả khi tắt điện. Về vai trò, ta có thể hình dung bộ nhớ này như ổ cứng để chứa dữ liệu trên board. Chương trình được viết cho Arduino sẽ được lưu ở đây. Kích thước của vùng nhớ này thông thường dựa vào vi điều khiển được sử dụng, ví dụ như ATmega8 có 8KB flash memory. Loại bộ nhớ này có thể chịu được khoảng 10,000 lần ghi / xoá. RAM: tương tự như RAM của máy tính, sẽ bị mất dữ liệu khi ngắt điện nhưng bù lại tốc độ đọc ghi xoá rất nhanh. Kích thước nhỏ hơn Flash Memory nhiều lần. EEPROM: một dạng bộ nhớ tương tự như Flash Memory nhưng có chu kì ghi / xoá cao hơn - khoảng 100,000 lần và có kích thước rất nhỏ. Để đọc / ghi dữ liệu ta có thể dùng thư viện EEPROM của Arduino. SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 28
  43. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D Bảng 2-1: Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3 Vi điều khiển Atemega 328P Điện áp hoạt động 5V Điện áp khuyên dùng 7-12V Điện áp giới hạn 6-20V Digital I/O pin 14 PWM Digital I/O pins 6 Analog Iput pins 6 Dòng trên mỗi I/O pin 20mA Dòng trên mỗi pin 3.3V 50mA Flash Memory 32 KB ( ATMEGA328p) SRAM 2KB EPROM 1KB Tốc độ 16MHz Chiều dài 68.6 Chiều rộng 53.4 Chiều cao 25 SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 29
  44. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D Một số chân digital có các chức năng đặc biệt: 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite(). Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác. Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác. LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13. Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng. Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit. Lập trình cho Arduino: Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn ngữ riêng. Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung. Và Wiring lại là một biến thể của C/C++. Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là C hay C/C++. SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 30
  45. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D 2.2.2.2 CNC Shield V3 CNC shield V3 là shield mở rộng dành cho Arduino Uno, cho phép điều khiển các máy khắc laser, máy phay cnc hoặc máy in 3D mini. Shield cho phép điều khiển tối đa 4 động cơ bước thông qua driver A4988 hoặc DRV8825 (có các jumper để điều khiển động cơ bước theo chế độ full step, haft step, 1/4, 1/8 hoặc 1/16). Ngoài ra còn có thể gắn thêm các công tắc hành trình cho các trục X, Y, Z, E (dành riêng cho máy in 3D) hay điều khiển đầu khắc CNC, đầu khắc laser và quạt tản nhiệt. Hình 2.11: CNC Shield V3 Hình 2.12: CNC Shield V3 kết hợp cùng A4988 Thông số kĩ thuật: Hỗ trợ firmware GRBL Điều khiển tối đa 4 động cơ bước Tương thích driver: A4988 hoặc DRV8825 Thêm jumper để điều khiển full step, haft step, 1/4, 1/8, 1/16 Công tắc hành trình các trục X, Y, Z, E SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 31
  46. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D Điều khiển đầu khắc CNC, đầu laser Điều khiển quạt tản nhiệt Nguồn cấp: 12-36V (nguồn độc lập với với Arduino Uno) Kích thước: 70 x 55mm Đặc điểm nổi bật arduino cnc shield V3: Tương thích GRBL (mã nguồn mở chạy trên Arduino UNO R3 để điều khiển CNC mini) Hỗ trợ lên tới 4 trục (trục X, Y, Z và một trục thứ tư tùy chọn) Hỗ trợ tới 2 Endstop (cảm biến đầu cuối) cho mỗi trục Tính năng điều khiển spindle Tính năng điều khiển dung dịch làm mát khi máy hoạt động Sử dụng các modun điều khiển động cơ bước, giúp tiết kiệm chi phí khi thay thế, nâng cấp Thiết kế nhỏ gọn, các đầu nối tiêu chuẩn thông dụng - Điện áp nguồn cấp đa dạng từ 12V tới 36V. Tương thích với module A4988 và DRV8825 Tương thích với module Uno R3 2.2.2.3 Driver điều khiển động cơ bước A4988 Driver A4988 là một trình điều khiển vi bước để điều khiển động cơ bước lưỡng cực có bộ dịch tích hợp để vận hành dễ dàng. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể điều khiển động cơ bước chỉ với 2 chân từ bộ điều khiển của chúng ta hoặc một chân để điều khiển hướng quay và chân kia để điều khiển các bước. Hình 2.13: Driver điều khiển động cơ bước A4988 SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 32
  47. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D Hình 2.14: Sơ đồ nối dây A4988 Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý của A4988 SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 33
  48. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D - Bật tắt động cơ thì thông qua pin ENABLE, mức LOW là bật module, mức HIGH là tắt module. - Điều khiển chiều quay của động cơ thông qua pin DIR. - Điều khiển bước của động cơ thông qua pin STEP, mỗi xung là tương ứng với 1 bước ( hoặc vi bước). - Hai chân Sleep với Reset luôn nối với nhau. - Kết nối giữa một vi điều khiển nói chung với A4988. - Kết nối giữa DRV 8825 với Board Arduino. - Tất cả các bước trên điều được thao tác dễ dàng khi ta sử dụng CNC Shield. Bảng 2-2 Bảng thông số kỹ thuật của A4988 2.2.2.4 Nguồn cho hệ thống Hình 2.16: Nguồn Adapter 12V SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 34
  49. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D - Nguồn Adapter 12V 3A là dụng cụ dùng để chuyển đổi nguồn điện 220V sang nguồn 12VDC, cung cấp điện cho các thiết bị sử dụng điện áp 12V, tránh hiện tượng đoản mạch, ngắn mạch. Jack nguồn kích thước 5.5x2.1mm thông dụng phù hợp sử dụng cho nhiều thiết bị. - Nguồn điện vào: 100V- 240V - Điện áp ra: 12VDC-3A - Loại Nguồn: Nguồn Xung - Kích thước chân cắm: 5.5mm x 2.1mm - Nguồn điện vào: 100V- 240VAC - Điện áp ra: 12VDC-2A 2.2.2.5 Sơ đồ kết nối mạch điện Hình 2.17: Sơ đồ kết mạch điện SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 35
  50. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D - Ưu điểm của hệ thống điện: - Tương thích với nhiều phần mềm điều khiển laser - Có chức năng điều khiển PWM - Giao tiếp dễ dàng với máy tính thông qua cổng USB - Mạch có thể điều khiển được tối đa 4 trục độc lập - Số đầu vào tín hiệu từ cảm biến hay công tắc hành trình là 6 - Có cầu trì bảo vệ - Dòng ra nuôi động cơ bước tối đa là 2A - Nguồn vào 12-36V Hình 2.18: Mạch điện khi được hoàn chỉnh 2.2.3 Cơ cấu chấp hành 2.2.3.1 Động cơ bước Động cơ bước (tiếng Anh: stepper motor, step motor, hoặc stepping motor) là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 36
  51. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết. Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số. Hình 2.19: Động cơ bước Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác. Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay Nguyên lí cấu tạo động cơ bước Về cấu tạo động cơ bước gồm có các bộ phận là stato, roto là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính. Động cơ bước được điều khiển bởi bộ điều khiển bên ngoài. Động SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 37
  52. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D cơ bước và bộ điều khiển được thiết kế sao cho động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như quay đến một vị trí bất kỳ nào. Động cơ bước có thể sử dụng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản, hoặc vòng kín, tuy nhiên khi sử dụng động cơ bước trong hệ điều khiển vòng hở khi quá tải, tất cả các giá trị của động cơ đều bị mất và hệ thống cần nhận diện lại. Đặc điểm của động cơ bước: Động cơ bước hoạt động dưới tác dụng của các xung rời rạc và kế tiếp nhau. Khi có dòng điện hay điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng của động cơ bước làm cho roto của động cơ quay một góc nhất định gọi là bước của động cơ. Góc bước là góc quay của trục động cơ tương ứng với một xung điều khiển. Góc bước được xác định dựa vào cấu trúc của động cơ bước và phương pháp điều khiển động cơ bước. Tính năng mở máy của động cơ được đặc trưng bởi tần số xung cực đại có thể mở máy mà không làm cho roto mất đồng bộ. Chiều quay động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện mà phụ thuộc vào thứ tự cấp xung cho các cuộn dây. Phân loại động cơ bước Động cơ bước được chia thành 3 loại chính là: - Động cơ bước nam châm vĩnh cửu Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có roto là nam châm vĩnh cửu, stato có nhiều răng trên mỗi răng có quấn các vòng dây. Các cuộn dây pha có cực tính khác nhau. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước nam châm vĩnh cửu có 2 cặp cuộn pha được trình bày ở hình: Ban đầu vị trí của stato và roto đang ở phase A. Khi cấp điện cho 2 cuộn dây pha B và D trong 2 cuộn sẽ xuất hiện cực tính. Do cực tính của cuộn dây pha và roto ngược nhau dẫn đến roto chuyển động đến vị trí như hình phase B SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 38
  53. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D on. Khi cuộn dây pha B và D ngắt điện cuộn dây A và B được cấp điện thì roto lại chuyển động đến vị trí như hình phase C on. Hình 2.20: Động cơ bước nam châm vĩnh cửu - Động cơ bước biến từ trở Động cơ bước biến từ trở có cấu tạo giống với động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Cấu tạo của stato cũng có các cuộn pha đối xứng nhau, nhưng các cuộn pha đối xứng có cùng cực tính khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Góc bước của stato là Ss. Roto của động cơ bước biến từ trở được cấu tạo từ thép non có khả năng dẫn từ cao, do đó khi động cơ mất điện roto vẫn tiếp tục quay tự do rồi mới dừng hẳn. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước biến từ được thể hiện như hình: Hình 2.21: Sơ đồ nguyên lý động cơ bước biến từ trở Khi cấp điện cho pha A, từng cặp cuộn dây A bố trí đối xứng nhau có cùng cực tính là nam(S) và bắc (N). Lúc này các cuộn dây hình thành các vòng từ đối xứng. Khi cấp điện cho pha B .Lúc này từ trở trong động cơ lớn, momen từ tác động lên trục roto làm cho roto quay theo chiều giảm từ trở. Roto quay cho tới khi từ trở SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 39
  54. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D nhỏ nhất và khi momen bằng không thì trục động cơ dừng, roto đạt đến vị trí cân bằng mới. Tương tự như vật khi cấp điện cho pha C, động cơ hoạt động theo nguyên tắc trên và roto ở vị trí như hình c. Quá trình trên lặp lại và động cơ quay liên tục theo thứ tự pha A B C. Để động cơ quay ngược chiều chỉ cần cấp điện cho các pha theo thứ tự ngược lại. - Động cơ bước hỗn hợp Động cơ bước hỗn hợp (còn gọi là động cơ bước lai) có đặc trưng cấu trúc của động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước biến từ. Stato và roto có cấu tạo tương tự động cơ bước biến từ trở nhưng số răng của stato và roto không bằng nhau. Roto của động cơ bước thường có 2 phần: phần trong là nam châm vĩnh cửu được gắn chặt lên trục động cơ, phần ngoài là 2 đoạn roto được chế tạo từ lá thép non và răng của 2 đoạn roto được đặt lệch nhau. Hình 2.22: Động cơ bước hỗn hợp Phương pháp điều khiển động cơ bước: Hiện nay có 4 phương pháp điều khiển động cơ bước cơ bản SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 40
  55. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D Hình 2.23: Điều khiển động cơ bước Điều khiển dạng sóng (Wave): Là phương pháp điều khiển cấp xung điều khiển lần lượt theo thứ tự chon từng cuộn dây pha. Điều khiển bước đủ (Full step): Là phương pháp điều khiển cấp xung đồng thời cho 2 cuộn dây pha kế tiếp nhau. Điều khiển nửa bước (Half step): Là phương pháp điều khiển kết hợp cả 2 phương pháp đều khiển dạng sóng và điều khiển bước đủ. Khi điều khiển theo phương pháp này thì giá trị góc bước nhỏ hơn hai lần và số bước của động cơ bước tăng lên 2 lần so với phương pháp điều khiển bước đủ tuy nhiên phương pháp này có bộ phát xung điều khiển phức tạp. Điều khiển vi bước (Microstep): Là phương pháp mới được áp dụng trong việc điều khiển động cơ bước cho phép động cơ bước dừng và định vị tại vị trí nửa bước giữa 2 bước đủ. Ưu điểm của phương pháp này là động cơ có thể hoạt động với góc bước nhỏ,độ chính xác cao. Do xung cấp có dạng sóng nên động cơ hoạt động êm hơn,hạn chế được vấn đề cộng hưởng khi động cơ hoạt động. Công thức tính số bước để động cơ di chuyển trên một đơn vị chiều dài (mm) Trong đó: n: Là số bước của động cơ A: Góc quay của động cơ trên mỗi bước SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 41
  56. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D B: Chế độ điều khiển vi bước của A4988 C: Khoảng cách hai đỉnh răng liên tiếp của dây dâi D: Số răng của puly động cơ Thông số động cơ Tên động cơ: Step 42 Kích thước mặt bích 42x42mm Dòng tải 1.5A Momen xoắn 0,55Nm Góc bước 1,8o/1 step Hình 2.24: Động cơ Step 42 sữ dụng trong đề tài Hình 2.25: Kích thước động cơ Step 42 SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 42
  57. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D 2.2.4 Đầu Laser 5mW vạch ngang Nguyên lý cấu tạo chung của một máy laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang. Trong đó buồng cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu. Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser. Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon tới. Mặt khác buồng cộng hưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ toàn phần các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn. Vì thế cường độ chùm laser được khuếch đại lên nhiều lần. Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phân loại laser. Hình 2.26: Cấu tạo cơ bản của nguồn phát Cấu tạo cơ bản của laser: 1. Buồng cộng hưởng (vùng bị kích thích) 2. Nguồng nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích) 3. Gương phản xạ toàn phần 4. Gương bán xạ 5. Tia laser Diode Laser một loại laser có cấu tạo tương tự như một Diode. Nó có môi trường kích thích là chất bán dẫn dạng p-n nối tiếp của diode. Diode laser hoạt động gần SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 43
  58. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D giống với diode phát quang. Nó cũng được gọi là đèn diode nội xạ và được viết tắt là LD hay ILD. Khi ống diode được kích ứng, ví dụ như được đặt dưới hiệu điện thế, các lỗ trống trong phần bán dẫn loại p chuyển qua phần bán dẫn loại n và các electron trong phần bán dẫn loại n sang phần bán dẫn loại p. Khi các electron gặp các lỗ trống, chúng rớt xuống mức năng lượng thấp (và bền) hơn, giải phóng năng lượng dư thừa qua photon với năng lượng bằng với chênh lệch năng lượng trong và ngoài lỗ trống. Trong điều kiện thích hợp, các electron và các lỗ trống có thể cùng tồn tại trong cùng một diện tích trong một khoảng thời gian (tính trên phần triệu giây) trước khi chúng sáp nhập. Nếu photon có cùng tần số được phát ra trong khoảng thời gian trên, nó sẽ kích thích sự phát xạ của photon khác, cùng một hướng, cùng độ phân cực và đồng pha với photon đầu tiên. Hình 2.27: Laser 5mW vạch ngang Nguyên lý hoạt động chung: Dưới sự tác động của hiệu điện thế lớn, các electron của thạch anh di chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lương cao tạo nên trạng thái nghịch đảo mật độ tích lũy của electron. Ở mức năng lượng cao, một số electron sẽ rơi ngẫu nhiên xuống mức năng lượng thấp, giải phóng hạt ánh sáng được gọi là photon. SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 44
  59. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D Các hạt photon này sẽ toả ra nhiều hướng khác nhau từ một nguyên tử, va phải các nguyên tử khác, kích thích eletron ở các nguyên tử này rơi xuống tiếp, sinh thêm các photon cùng tần số, cùng pha và cùng hướng bay, tạo nên một phản ứng dây chuyền khuếch đại dòng ánh sáng. Các hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần trong vật liệu, nhờ các gương để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng. Một số photon thoát ra ngoài nhờ có gương bán mạ tại một đầu của vật liệu. Tia sáng đi ra chính là tia laser. Phân loại tia laser Laser chất rắn: Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm môi trường hoạt chất laser. Một số loại laser chất rắn thông dụng: YAG-Neodym: Hoạt chất là Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cộng thêm 2- 5% neodymi, có bước sóng 1060 nm thuộc phổ hồng ngoại gần. Có thể phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10000Hz. Hồng ngọc (Rubi): Hoạt chất là tinh thể Alluminium có gắn những ion crom, có bước sóng 694,3 nm thuộc vùng đỏ của ánh sáng trắng. Bán dẫn: Loại thông dụng nhất là diot Gallium Arsen có bước sóng 890 nm thuộc phổ hồng ngoại gần. SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 45
  60. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D 2.3 Camera 2.3.1 Webcam logitech C270 Hình 2.28: Webcam Logitech C270 Webcam C270 đem đến cho bạn cuộc gọi hội nghị sắc nét, mượt mà (720p/30fps)ở định dạng màn hình rộng. Tính năng điều chỉnh ánh sáng tự động giúp bạn xuất hiện với màu sắc tự nhiên, chân thật. Ứng dụng công nghệ Righ Light - tự động điều chỉnh để lấy được ánh sáng tối ưu, và cho ảnh tốt ngay cả trong điều kiện ánh sáng mập mờ. Bộ cảm biến ảnh HD (1280 x 720 pixels). Chụp ảnh tĩnh 3 megapixels. Tốc độ hình bắt hình lên đến 30 hình/giây. Thông số kỹ thuật: - Chụp ảnh ở chế độ thực 3 Megapixel; Phần mềm 15 Megapixel - Ghi lại hình ảnh ở chế độ Full HD 1080, Video Call ở chế độ HD 720 - Gốc quay: 78° 2.3.2 Cân chỉnh Camera Bảng cân chỉnh camera được chia ra nhiều ô vuông nhỏ kích thước3x3, mỗi ô vuông tương ứng với một điểm ảnh. SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 46
  61. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D Hình 2.29: Bảng cân chỉnh camera Hình 2.30: Cân chỉnh các thông số Để camera nhận được các điểm ảnh thì thông qua bảng cân chỉnh thì ta cần phải chỉnh các thông số như: độ sáng, độ bảo hòa, độ tương phản phù hợp thì camera mới bắt được các điểm ảnh trên bảng cân chỉnh (hình 2.30). SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 47
  62. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D Hình 2.31: Camera đã nhận điểm ảnh trên bảng cân chỉnh Hình 2.32: Bảng cân chỉnh đặt trên bàn xoay của máy SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 48
  63. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY SCAN 3D 2.4 Các phần mềm hỗ trợ còn sử dụng các phần mềm mã nguồn mở để phục vụ nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển, lập trình, xây dựng bản vẽ, nhằm hoàn thành báo cáo thuyết minh không vi phạm bản quyền phần mềm như sau: Lập trình vi điều khiển với ngôn ngữ lập trình Arduino (arduino.cc). Phần mềm xử lí ảnh Python, Meshlab và Meshmxer phục vụ cho việc xuất ảnh sang định dạng. Sử dụng phần mềm Horus để điều khiển máy Scan3D. Phần mềm Inventor (autodesk.com) để thiết kế bản vẽ cho đề tài. SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 49
  64. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 3.1 Chế tạo thành công Hình 3.1: Tổng thể của máy Scan 3D SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 50
  65. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Hoạt động - Khi chưa căn chỉnh thông số (hình 3.2): +Độ sáng (brightness): 100 +Tương phản (contrust): 32 +Bão hòa (saturation): 100 +Phơi bày (exposure): 32 Hình 3.2: Khi máy chưa cân chỉnh thông số Kết quả: không quét ra hình dạng của vật Hình 3.3: Khi máy đã chỉnh các thông số phù hợp SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 51
  66. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN -Khi đã căn chỉnh thông số ( hình 3.3): +Độ sáng (brightness): 128 +Tương phản (contrust): 32 +Bão hòa (saturation): 32 +Phơi bày (exposure): 43 Hình 3.4: Ảnh quét ca nước Kết quả: máy quét ra được hình ảnh rõ ràng, chi tiết về màu sắt và hình dạng.  Kết luận đạt được Thiết kế và chế tạo thành công mô hình máy Scan 3D hoàn chỉnh với các thông số kỹ thuật và kích thước không gian vùng làm việc như sau: + Máy scan 3D nhỏ gọn có thể đặt trên bàn làm việc + Kích thước sản phẩm quét không nhỏ hơn 5cmx5cm (rộng x cao) + Kích thước sản phẩm không lớn hơn 50.3 x50.3cm + Trọng lượng sản phẩm nhỏ hơn 3Kg SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 52
  67. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN + Sản phẩm không scan ở dạng trong suốt ( kính, mica), có thể quét sơn tối màu lên + Máy dùng một camera full HD và 2 đầu laser để lấy tọa độ + Máy Scan được đặt trên bàn xoay và xoay trong quá trình quét Bảng 3-1: So sánh kích thước ảnh thực tế và ảnh sau khi Scan chậu cây Thông số Mẫu thực tế Ảnh Scan 3D Kích thước đáy 10,5 8,5 Kích thước mặt trên 15 12,5 Chiều cao 13 11,2 Hình 3.5: Ảnh sau khi được xử lý bằng phần mềm meshlab SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 53
  68. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 3.2 Hướng cải tiến - Hướng cải tiến của máy Sacn 3D sử dụng trục vit me để điều khiển khoảng cách của bàn xoay và camera phù hợp với kích thước của vật mẫu cần quét, để tạo ra ảnh có sai số thấp nhất sau khi quét. - Khi quét máy Scan 3D phụ thuộc vào ánh sáng của môi trường nên cần tạo một ánh sáng cố định cho máy , ta có thể sữ dụng thùng caton hoặc thùng nhựa để bao quanh máy tạo cho máy không gian ánh sáng cố định. SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 54
  69. TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO Các website tham khảo [1] [2] [3] 3d.htm Các sách tham khảo [4] Mã Lập Phong (2014) “đồ án tốt nghiệp cơ điện tử tính toán thiết kế máy đo 3d hình dáng cơ thể người” Trường đại học Bách Khoa Hà Nội [5] Trần Ngọc Tú, đồ án tốt nghiệp “ Nghiên cứu công nghệ thiết kế ngược và ứng dụng vào quá trình tạo mẫu nhanh”, Trường đại học giao thông vận tải [6] Kỹ sư Phan Huỳnh Lâm “ Máy quét 3D “Made in Việt Nam””, trường đại học Bách Khoa TP.HCM Tài liệu tham khảo tiếng anh [7] Mario lukas(2020), “Das 3D – Scanner – Praxixbuch” [8] Drive Product Innovation with Reverse Engineering SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 55
  70. TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Tất cả các code ( Arduino), phần mềm hỗ trợ ( Horus) nằm ở link Google Drive dưới đây: A2O?usp=sharing SVTH: HUỲNH TUẤN PHONG – NGUYỄN HẢI ĐĂNG 56