Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay bằng phương pháp quét laser

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:144

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí "Nghiên cứu đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay bằng phương pháp quét laser" nghiên cứu phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng cảm biến đo Laser Scan Micrometer: Cơ sở lý thuyết về phương pháp đo, các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác đo và đề xuất các giải pháp nâng cao độ chính xác của phương pháp xây dựng. Thiết kế, chế tạo mô hình thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay bằng phương pháp quét laser

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------------------- Lê Xuân Cam NGHIÊN CỨU ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT LASER LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------------------- Lê Xuân Cam NGHIÊN CỨU ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT LASER Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Nguyễn Văn Vinh 2. TS. Hoàng Hồng Hải Hà Nội – 2022
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận án "Nghiên cứu đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay bằng phương pháp quét laser" là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi, thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn. Những nội dung, các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với điều kiện của Việt Nam. Các kết quả này chưa có tác giả nào công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác. Hà Nội, ngày tháng 02 năm 2022 TM Tập thể hướng dẫn khoa học Tác giả luận án NCS Lê Xuân Cam i
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, góp ý, động viên và chia sẻ của mọi người. Lời đầu tiên tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi đặc biệt cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Vinh, TS. Hoàng Hồng Hải, TS. Phạm Xuân Khải đã hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi những ý kiến vô cùng quý báu và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi về mặt chuyên môn trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Cơ khí chính xác & Quang học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã đóng góp cho tôi những ý kiến bổ ích cũng như tạo điều kiện thuận lợi về thời gian cho tôi trong suốt quá trình làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng thử nghiệm Quang - Cơ Điện tử 307 C4-5 - Bộ môn Cơ khí Chính xác & Quang học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất thử nghiệm, nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo, chỉ huy và đồng đội trong Viện Công nghệ/ Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng nơi tôi công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình làm luận án. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình, bố mẹ, vợ và các con đã động viên, giúp đỡ, chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Tác giả luận án NCS Lê Xuân Cam ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................ vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................. xii DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... xiv MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án ..................................................................................1 2. Mục đích, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu........................................2 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu ..................................................2 4. Các kết quả mới của luận án ........................................................................................3 Chương 1. ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY .................................4 1.1 Đặt vấn đề ..................................................................................................................4 1.2 Định nghĩa về sai lệch biên dạng chi tiết tròn xoay ..................................................5 1.3 Các phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết tròn xoay ...............................................8 1.3.1 Phương pháp đo biên dạng 3D tiếp xúc ...........................................................9 1.3.2 Phương pháp đo biên dạng 3D không tiếp xúc ..............................................10 1.3.3 Phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser ............14 1.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước về phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay ...............................................................................................................................16 1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới.................................................................16 1.4.1.1 Nghiên cứu đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng cảm biến tiếp xúc ........ 16 1.4.1.2 Nghiên cứu đo biên dạng bằng phương pháp quét laser ......................20 1.4.2 Các nghiên cứu trong nước ............................................................................24 1.5 Kết luận Chương 1...................................................................................................26 Chương 2. XÂY DỰNG CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY BẰNG QUÉT LASER ..........................................................................27 2.1 Mô hình toán học biên dạng chi tiết tròn xoay ........................................................27 2.1.1 Định nghĩa chi tiết tròn xoay .........................................................................27 iii
2.1.2 Mô hình toán học biên dạng chi tiết tròn xoay thực ......................................28 2.2 Nguyên lý, cấu tạo cảm biến đo Laser Scan Micrometer .......................................31 2.2.1 Nguyên lý hoạt động cảm biến Laser Scan Micrometer ................................31 2.2.2 Cấu tạo cảm biến Laser Scan Micrometer .....................................................33 2.3 Phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay xử dụng quét laser .................................36 2.4 Phương pháp quét mẫu và xây dựng thuật toán đo biên dạng chi tiết tròn xoay ....40 2.4.1 Phương pháp quét mẫu ..................................................................................40 2.4.2 Xây dựng thuật toán đo biên dạng chi tiết tròn xoay .....................................42 2.5 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay........................................43 2.6 Kết luận chương 2 ..................................................................................................44 Chương 3. THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY BẰNG QUÉT LASER ..................................................................................................45 3.1 Xây dựng thiết bị thực nghiệm 3D-LSM-01 ...........................................................45 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay xử dụng quét laser .................................................................................................50 3.2.1 Sai số do lệch điểm đặt mẫu ban đầu .............................................................50 3.2.2 Sai số do cảm biến không đi qua tâm quay...................................................54 3.2.3 Sai số do lệch đường dẫn hướng ...................................................................55 3.2.4 Sai số do độ chính xác của cảm biến đo LSM ...............................................57 3.2.4.1 Các nguyên nhân gây sai số cảm biến đo LSM [28], [82], [83] ..........57 3.2.4.2 Tính toán sai số [82]. ............................................................................58 3.3 Một số giải pháp nâng cao độ chính xác của phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser .................................................................................................80 3.3.1 Nâng cao độ chính xác bằng phương pháp đảo ngược ..................................80 3.3.2 Nâng cao độ chính xác bằng hiệu chỉnh vị trí chi tiết đo trong vùng quét laser ... 83 3.3.3 Nâng cao độ chính xác bằng hiệu chỉnh cảm biến LSM ...............................84 3.4 Kết luận chương 3 ...................................................................................................87 Chương 4. THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY ................................................................................................................88 4.1 Đánh giá thiết bị đo biên dạng 3D-LSM-01 ............................................................88 iv
4.2 Thử nghiệm giải pháp nâng cao độ chính xác đo bằng phương pháp đảo ngược ..93 4.3 Thử nghiệm xác định ảnh hưởng vị trí của chi tiết trong vùng quét laser ..............96 4.4 Đánh giá độ không đảm bảo đo của thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay bằng thiết bị quét laser 3D-LSM-01 .......................................................................................98 4.4.1 Độ không đảm bảo đo biên dạng theo phương ngang trục ............................99 4.4.2 Độ không đảm bảo đo biên dạng theo phương dọc trục ..............................103 4.5 Đo biên dạng một số chi tiết tròn xoay trên thiết bị quét laser 3D-LSM-01 .........106 4.5.1 Đo biến dạng chi tiết trục nhôm bậc ............................................................107 4.5.2 Đo biến dạng chi tiết đạn .............................................................................110 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN ......................................................................112 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .......................................................................112 DANH MỤC................................................................................................................113 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .............................................113 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................114 PHỤ LỤC ....................................................................................................................121 v
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1: Biên dạng viên đạn hoàn chỉnh. ........................................................... 4 Hình 1. 2: Các điểm nằm trong dung sai [1]. ........................................................ 5 Hình 1. 3: Sai lệch đường tâm [1]. ........................................................................ 6 Hình 1. 4: Sai lệch hướng tâm [1]. ........................................................................ 6 Hình 1. 5: Sai lệch mặt cắt [1]............................................................................... 6 Hình 1. 6: Sai lệch độ tròn. ................................................................................... 7 Hình 1. 7: Sai lệch độ thẳng. ................................................................................. 7 Hình 1. 8: Sai lệch độ trụ. ..................................................................................... 7 Hình 1. 9: Các phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay. .............................. 8 Hình 1. 10: Máy đo biên dạng tiếp xúc. ................................................................ 9 Hình 1. 11: Dưỡng kiểm tra biên dạng................................................................ 10 Hình 1. 12: Phân loại phương pháp đo không tiếp xúc quang học [24]. ............ 11 Hình 1. 13: Một số dạng máy đo biên dạng không tiếp xúc. .............................. 11 Hình 1. 14: Nguyên lý đo khoảng cách tam giác lượng...................................... 12 Hình 1. 15: Nguyên lý phương pháp đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc [11]. ......... 13 Hình 1. 16: Nguyên lý phương pháp Time - Of – Flight dạng xung [25]........... 13 Hình 1. 17: Nguyên lý phương pháp giao thoa [26]. .......................................... 13 Hình 1. 18: Nguyên lý cảm biến Laser scan micrometer. ................................... 15 Hình 1. 19: Tín hiệu xung thu được từ cảm biến quang điện. ............................ 15 Hình 1. 20: Xung đo khi đặt vật vào vùng quét laser. ........................................ 15 Hình 1. 21: Vị trí đặt 5 đầu đo tiếp xúc [31]. ...................................................... 16 Hình 1. 22: Vị trí đặt 5 đầu đo tiếp xúc quét song song [32]. ............................. 17 Hình 1. 23: Vị trí đặt 5 đầu đo tiếp xúc quét xoắn ốc [32]. ................................ 18 Hình 1. 24: Sơ đồ quét khối V. ........................................................................... 18 Hình 1. 25: a) Sơ đồ của phép đo biên dạng hình trụ bậc sử dụng cảm biến dịch chuyển laser 2D; b) Trục quay bàn quay và đường tâm hình học của chi tiết đo không trùng nhau [49]. ........................................................................................ 21 vi
Hình 1. 26: Tư thế cảm biến laser 2D [49]. ........................................................ 21 Hình 1. 27: Lưu đồ thuật toán bù sai số hệ thống dựa trên thuật toán đám mây 23 điểm [49]. ............................................................................................................ 23 Hình 1. 28: Đo biên dạng mặt cắt tròn sử dụng quét laser [55]. ......................... 24 Hình 2. 1: Mô hình chi tiết tròn xoay. ................................................................. 27 Hình 2. 2: Một số dạng chi tiết tròn xoay. .......................................................... 28 Hình 2. 3: Mô hình toán học biên dạng chi tiết tròn xoay [57]. ......................... 28 Hình 2. 4: Biên dạng chi tiết tròn xoay [59]. ...................................................... 29 Hình 2. 5: Các dạng biên dạng tròn xoay [32]. ................................................... 30 Hình 2. 6: Cách xây dựng biên dạng chi tiết tròn xoay [37]. .............................. 30 Hình 2. 7: Mô hình hoạt động của cảm biến đo LSM [28]. ................................ 31 Hình 2. 8: Mô hình mối quan hệ giữa kích thước vật đo với khoảng thời gian che khuất. ................................................................................................................... 31 Hình 2. 9: Các khoảng thời gian trong một chu kỳ quét tại mặt cắt thứ i. .......... 32 Hình 2. 10: Cảm biến LSM -506S của hãng Mitutoyo [66]. .............................. 32 Hình 2. 11: Mô hình chức năng của cảm biến LSM ........................................... 33 Hình 2. 12: Mô hình các bộ phận của cảm biến LSM [70]. ................................ 33 Hình 2. 13: Mô hình tạo chùm tia quét laser bằng gương đa giác quay. ............ 34 Hình 2. 14: Mô hình tạo chùm tia quét laser bằng gương đa giác quay. ........... 34 Hình 2. 15: Mô hình bộ phận chuẩn trực chùm tia quét góc thành chùm tia quét song. .................................................................................................................... 34 Hình 2. 16: Mô hình bộ phận tạo xung đo. ......................................................... 35 Hình 2. 17: Chuyển đổi tương ứng từ độ rộng xung đo thành việc đếm số xung nhịp thời gian....................................................................................................... 36 Hình 2. 18: Mô hình nguyên lý đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser. .................................................................................................................... 37 Hình 2. 19: Chùm laser trong mặt cắt thứ i. ........................................................ 37 Hình 2. 20: Mặt cắt ngang thứ i. ......................................................................... 38 Hình 2. 21: Mô hình các phương pháp quét mẫu [75]. ....................................... 40 vii
Hình 2. 22: Mô hình phương pháp lấy mẫu theo từng mặt cắt. .......................... 41 Hình 2. 23: Thuật toán đo biên dạng chi tiết tròn xoay bằng quét laser. ............ 43 Hình 2. 24: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay .......... 44 bằng quét laser. .................................................................................................... 44 Hình 3. 1:Mô hình thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng phương pháp quét laser 3D-LSM-01......................................................................................... 45 Hình 3. 2: Cảm biến đo Laser scan micrometer LS5041T/R và bộ điều khiển LS5001 hãng Keyence [29]. ................................................................................ 46 Hình 3. 3: Các bộ phận chính của máy đo biên dạng chi tiết tròn xoay. ............ 47 Hình 3. 4: Một số chức năng của phần mềm đo thiết bị 3D-LSM-01. ............... 48 Hình 3. 5: Giao diện chính của phần mềm đo biên dạng chi tiết tròn xoay........ 49 Hình 3. 6: Thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser 3D-LSM- 01 sau chế tạo. ..................................................................................................... 49 Hình 3. 7: Mô hình sai số do lệch điểm đặt mẫu. ............................................... 50 Hình 3. 8: Mô hình mối quan hệ giữa biên dạng và lệch tâm e. ......................... 51 Hình 3. 9: Mô hình sai số do lệch trục [79]. ....................................................... 52 Hình 3. 10: Mô hình mặt cắt phương đo [79]. .................................................... 53 Hình 3. 11: Mô hình sai số do cảm biến không đi qua tâm quay [79]. .............. 54 Hình 3. 12: Mối quan hệ giữa biên dạng và độ lệch di. ...................................... 55 Hình 3. 13: Mô hình lệch trục dẫn hướng [79]. .................................................. 56 Hình 3. 14: Mối quan hệ giữa biên dạng và độ lệch trục. ................................... 56 Hình 3. 15: Mô hình đường đi của tia laser qua hệ gương tạo tia quét [82]. ...... 58 Hình 3. 16: Hệ tọa độ để xác định đường đi của tia quét laser [82]. .................. 59 Hình 3. 17: Mô hình xác định giao điểm N của tia tới T với mặt gương đa giác quay. .................................................................................................................... 59 Hình 3. 18: Mô hình xác định giao điểm K của tia phản xạ P với quang trục x’ của F . ................................................................................................................. 60 Hình 3. 19: Độ lệch giao điểm của tia phản xạ với quang trục của F ở các góc quét giới hạn [82]. ............................................................................................... 61 viii
Hình 3. 20: Đồ thị quan hệ giữa K và góc lệch . ............................................ 62 Hình 3. 21: Mô hình gương quay tạo tia quét laser hội tụ tại một điểm. ............ 62 Hình 3. 22: Sự không song song với quang trục của tia qua thấu kính chuẩn trực do tia phản xạ từ gương đa giác không đi qua tiêu điểm của F. ........................ 63 Hình 3. 23: Mô hình tính toán góc lệch của tia qua F khi K nằm ngoài tiêu cự của F ................................................................................................................... 63 Hình 3. 24: Mô hình tính toán góc lệch của tia qua F khi K nằm trong khoảng tiêu cự của F ....................................................................................................... 64 Hình 3. 25: Mô hình quét của chùm tia laser lên chi tiết khi chúng không song song với quang trục của Fθ .................................................................................. 65 Hình 3. 26: Mô hình sai lệch đo đối với nửa trên của chi tiết............................. 65 Hình 3. 27: Mô hình sai lệch đo đối với nửa dưới của chi tiết. .......................... 66 Hình 3. 28: Mô hình của hệ tạo tia quét gương phẳng - gương đa giác. ............ 68 Hình 3. 29: Mô hình thêm thấu kính phụ Fp khi tiêu cự F lớn. ......................... 68 Hình 3. 30: Mô hình quan hệ vận tốc quét góc và quét song song của tia laser. 68 Hình 3. 31: Đồ thị mối quan hệ vận tốc quét với vị trí của tia quét góc. ............ 69 Hình 3. 32: Mô hình tính toán kết quả đo khi chi tiết đối xứng với trục của TK1[82]. .............................................................................................................. 69 Hình 3. 33: Đồ thị quan hệ góc quét giới hạn lên chi tiết đo và đường kính chi tiết với sai số đo................................................................................................... 70 Hình 3. 34: So sánh kết quả đo khi chi tiết đối xứng và không đối xứng với quang trục. ........................................................................................................... 71 Hình 3. 35: Mô hình mặt cắt của tia laser tại vị trí quét cạnh chi tiết. ............... 72 Hình 3. 36: Dạng của xung phát từ tế bào quang điện khi tia quét laser lên chi tiết. ....................................................................................................................... 72 Hình 3. 37: Sự phản xạ của tia quét trên bề mặt chi tiết dạng cạnh.................... 74 Hình 3. 38: Sự phản xạ của tia quét trên bề mặt chi tiết dạng trụ. ...................... 74 ix
Hình 3. 39: Mô hình tìm góc lệch tới hạn mà tế bào quang điện có thể cảm nhận được. .................................................................................................................... 75 Hình 3. 40: Mô hình quan hệ giữa góc lệch tới hạn của tia phản xạ và sai số đo.76 Hình 3. 41: Các mức điện áp của xung tế bào quang điện.................................. 76 Hình 3. 42: Vị trí các mặt cắt của tia quét laser trên cạnh các chi tiết nhẵn và nhám. ................................................................................................................... 77 Hình 3. 43: Sự khác nhau về dạng xung ra của tế bào quang điện khi đo chi tiết nhẵn và nhám. ..................................................................................................... 78 Hình 3. 44: Sự khác nhau về dạng xung ra của tế bào quang điện khi đo các chi tiết có chiều cao nhám khác nhau. ...................................................................... 79 Hình 3. 45: Sự khác nhau về dạng xung ra của tế bào quang điện khi đo các chi tiết có biên dạng nhám khác nhau [82]. .............................................................. 80 Hình 3. 46: Biểu đồ sai số phương pháp lọc Fourier với Ri=50 mm và lệch tâm ei=0,05 mm. ......................................................................................................... 81 Hình 3. 47: Mô hình nguyên lý phương pháp đảo ngược sử dụng đầu đo LSM. 82 Hình 3. 48: Sự thu hẹp đường kính tia quét laser tại tiêu diện của thấu kính. .... 84 Hình 3. 49: Đồ thị đặc tính quan hệ giữa giá trị đo và giá trị thực. .................... 86 Hình 4. 1: Mẫu trụ chuẩn. ................................................................................... 89 Hình 4. 2: Mô hình thử nghiệm đo trụ chuẩn...................................................... 89 Hình 4. 3: Sai số đo đường kính các chi tiết trụ chuẩn bằng máy LS5041......... 90 Hình 4. 4: Mô hình thử nghiệm kiểm tra sai số trục Z....................................... 91 Hình 4. 5: Sai số trục Z. ...................................................................................... 91 Hình 4. 6: Mô hình thử nghiệm độ thẳng ray dẫn hướng. .................................. 92 Hình 4. 7: Kết quả độ thẳng ray dẫn hướng. ....................................................... 92 Hình 4. 8: Mô hình thử nghiệm đo biên dạng trụ chuẩn 10,59 mm. ............... 93 Hình 4. 9: Biên dạng mẫu trụ chuẩn 10,59 mm. .............................................. 94 Hình 4. 10: Biên dạng mẫu trụ chuẩn 10,59 mm sử dụng phương pháp đảo ngược. .................................................................................................................. 94 Hình 4. 11: Độ lệch tâm ở các vị trí xác định bằng phương pháp đảo ngược. ... 94 x
Hình 4. 12: Biên dạng mẫu trụ chuẩn 10,59 mm với các độ lệch tâm khác nhau... 95 Hình 4. 13: Độ lệch tâm xác định bằng phương pháp đảo ngược. ..................... 95 Hình 4. 14: a) Mô hình đo trên máy đo độ tròn F135, b) Quả cầu chuẩn R3865. ...96 Hình 4. 15: Kết quả đo độ tròn khi thay đổi độ lệch tâm. ................................... 97 Hình 4. 16: Kết quả đo độ tròn trên máy đo độ tròn. .......................................... 97 Hình 4. 17: Mô hình các yếu tố ảnh hưởng đến độ không đảm bảo đo [88]. ..... 99 Hình 4. 18: a) Mô hình đo biên dạng trục nhôm bậc, b) Trục nhôm bậc. ........ 100 Hình 4. 19: Kết quả 5 lần đo lặp lại biên dạng.................................................. 101 Hình 4. 20: a) Mô hình bố trí thử nghiệm, b) Kết quả đo biên dạng tại mặt cắt có chiều cao z=211,5 mm trên máy đo độ tròn F135. ........................................... 103 Hình 4. 21: Vị trí đo biên dạng dọc trục chi tiết trục nhôm bậc. ...................... 104 Hình 4. 22: Biên dạng ngang trục đoạn 30 mm trục nhôm bậc. ....................... 104 Hình 4. 23: Biên dạng dọc trục chi tiết trục nhôm bậc. .................................... 105 Hình 4. 24: Biên dạng dọc trục chi tiết trục nhôm đo trên máy LSM và bằng . 106 đồng hồ so. ........................................................................................................ 106 Hình 4. 25: Thông số đầu vào của bài đo biên dạng. ........................................ 107 Hình 4. 26: Biên dạng chi tiết trục nhôm bậc. .................................................. 108 Hình 4. 27: Vị trí các điểm đo mẫu trụ nhôm bậc............................................. 108 Hình 4. 28: Mô hình máy đo CMM hãng Microstar. ........................................ 109 Hình 4. 29: Biên dạng mặt cắt mẫu trụ nhôm tại các vị trí khác nhau.............. 110 Hình 4. 30: Đo biên dạng chi tiết đạn 14,5 mm. ............................................... 110 Hình 4. 31: Đo biên dạng chi tiết đạn Hải quân sát thương vạch đường 25 mm. . 110 xi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục chữ viết tắt Chữ STT Tên tiếng Anh Tiếng Việt viết tắt 1 CMM Coordinate measuring machine Máy đo toạ độ 2 CNC Computer numerical control Điều khiển số bằng máy tính 3 2D 2 Dimension Không gian 2 chiều 4 3D 3 Dimension Không gian 3 chiều 5 LSC Least Square Circle Đường tròn bình phương nhỏ nhất 6 LSM Laser Scan Micrometer Máy đo quét laser International Organization for 7 ISO Tiêu chuẩn quốc tế Standardization 8 MCC Minimum Circumscribed circle Đường tròn ngoại tiếp nhỏ nhất 9 MIC Maximum Inscribed circle Đường tròn nội tiếp lớn nhất 10 MZC Minimum Zone circle Đường tròn vùng tối thiểu 11 GPS Geometric parameters spatial Đặc tính hình học của sản phẩm 12 DRO Digital Readout Đầu đọc kỹ thuật số 13 TK1 Thấu kính chuẩn trực 14 TK2 Thấu kính hội tụ 15 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam 16 Profile Biên dạng Danh mục ký hiệu STT Ký hiệu Tiếng Việt 1 αi Góc lệch pha 2 θ Góc quay 3 m Sai lệch độ tròn 4 s Sai lệch độ thẳng xii
STT Ký hiệu Tiếng Việt 5  Sai lệch độ trụ 6 d Biến thiên khoảng cách 7 t Biến thiên thời gian 8 r Sai lệch biên dạng 9 ex, ey Độ lệch tâm theo phương x, y 10 e Độ lệch tâm 11 Rij Biên dạng 12 r0 Bán kính trung bình 13 n Tốc độ quay của gương 14 f Tiêu cự thấu kính chuẩn trực 15 ft Tần số bộ phát xung chuẩn 16 N Số xung chuẩn 17 i Số điểm đo trên mặt cắt ngang 18 j Số mặt cắt ngang dọc trục xiii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1: Bảng tính độ lệch chuẩn kết quả đo biên dạng ngang trục. ..................... 101 Bảng 4.2: Bảng tính độ lệch chuẩn kết quả đo biên dạng dọc trục. ......................... 105 Bảng 4.3: Bảng so sánh kết quả đo trên máy CMM và thiết bị 3D-LSM-01. ........... 109 xiv
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Trong các chi tiết máy chi tiết dạng tròn xoay là chi tiết chiếm đa số. Chúng là thành phần quan trọng của các bộ phận như ổ lăn, trục chính máy công cụ, piston động cơ, … Bên cạnh yêu cầu kỹ thuật về dung sai kích thước, vị trí tương quan thì yêu cầu về độ chính xác hình dáng của chi tiết cũng rất quan trọng (cỡ từ 0,1 µm đến vài chục µm). Các sai số hình dáng chi tiết tròn xoay bao gồm độ tròn, độ trụ, độ thẳng, độ côn. Các sai số này ảnh hưởng trực tiếp đến chức năng làm việc của chi tiết máy và bộ phận máy. Sai lệch biên dạng lớn làm cho thiết bị hoạt động kém hiệu quả, ví dụ: trục chính của các máy công cụ như máy tiện, máy phay có tiết diện mặt cắt ngang không tròn, quá trình làm việc trục quay gây ra đảo, độ đảo này in dập trên các bề mặt gia công dẫn đến sai số hình dáng của chi tiết. Tương tự các bộ đôi piston xilanh có bề mặt không trụ, khe hở làm việc không đồng đều trên cùng một tiết diện, làm giảm hiệu suất của máy. Đối với các bộ truyền động sai lệch biên dạng của bề mặt ổ lăn, ổ trượt và các chi tiết tham gia lắp ghép có tác động tới đặc tính lắp ghép, ảnh hưởng độ chính xác truyền động. Đặc biệt với chi tiết đạn sai lệch biên dạng ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình chuyển động của đạn trong buồng đạn và quỹ đạo chuyển động đầu đạn khi bắn đến mục tiêu. Các thiết bị đo quét biên dạng cung cấp dữ liệu bề mặt chi tiết dưới dạng đám mây điểm. Từ đám mây điểm thu được có thể tái tạo lại biên dạng và tính toán các sai lệch biên dạng. Hiện nay, có hai nhóm phương pháp chính đo biên dạng 3D của vật thể là: đo tiếp xúc và không tiếp xúc. Phương pháp đo tiếp xúc sử dụng các đầu dò tiếp xúc với bề mặt chi tiết cần đo như các máy đo CMM, tay máy đo, .... Đặc điểm chính của phương pháp đo tiếp xúc là phương pháp đo từng điểm, mỗi điểm được xác định khi đầu dò tiếp xúc cơ học với bề mặt cần đo đồng thời đánh dấu các tọa độ điểm đo trên hệ tọa độ máy với thời gian xác định mỗi điểm đo lên đến phần mười giây do đó phương pháp này có độ chính xác cao nhưng để đo được toàn bộ biên dạng một chi tiết thường mất khá nhiều thời gian và rất khó đo trực tiếp trên dây chuyền sản xuất. Phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng tia X, sóng siêu âm và các phương pháp sử dụng nguyên lý quang học để thu thập dữ liệu điểm đo được phân loại thành 2 dạng phương pháp chính là: quét chủ động và quét bị động. Phương pháp đo không tiếp xúc chủ động chiếu các mẫu ánh sáng vào bề mặt chi tiết đo dựa vào sự tán xạ, phản xạ của bề mặt chi tiết để xác định điểm đo; có các nguyên lý như: thời gian truyền sóng, nguyên lý tam giác lượng (đo bằng laser, ánh sáng cấu trúc). Phương pháp đo không tiếp xúc bị động sử dụng các hình ảnh của vật cần đo để xác định tọa độ điểm đo gồm: phương pháp ảnh lập thể, phương pháp quang trắc, phương pháp dựa vào bóng của vật. Phương pháp đo chủ động có độ chính xác cao hơn song phương pháp đo bị động thường có tốc độ đo nhanh hơn. Phương pháp đo không tiếp xúc có thể đo được bề mặt các chi tiết có kích thước rất lớn hoặc rất nhỏ, biên dạng phức tạp và có thể đo trực tiếp trên dây chuyền sản xuất. Trong đó, phương pháp đo chủ động sử dụng ánh sáng cấu trúc cho tốc độ đo nhanh nhưng để đạt độ chính xác cỡ micromet đang là một trở ngại. Với phương pháp đo chủ động sử dụng quét laser tuy tốc độ đo 1
không nhanh bằng sử dụng ánh sáng cấu trúc nhưng độ chính xác cao hơn có thể đạt đến micromet nên được tập trung nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đo độ chính xác cao. Tuy nhiên, thiết bị đo dạng này hiện nay chủ yếu là ứng dựng đo 2D chi tiết tròn xoay. Do đó, để đo lường, kiểm soát biên dạng 3D toàn bộ chi tiết tròn xoay tác giả lựa chọn đề tài "Nghiên cứu đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay bằng phương pháp quét laser". 2. Mục đích, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu - Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng cảm biến đo Laser Scan Micrometer: Cơ sở lý thuyết về phương pháp đo, các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác đo và đề xuất các giải pháp nâng cao độ chính xác của phương pháp xây dựng. Thiết kế, chế tạo mô hình thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser. - Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận án là đo biên dạng các chi tiết tròn xoay có độ chính xác bề mặt cao, đặc biệt là các chi tiết đạn. Cảm biến Laser Scan Micrometer sử dụng có đầu ra là dạng xung đo. - Phương pháp nghiên cứu: Luận án đã sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thử nghiệm, sử dụng các công cụ toán học kết hợp tin học xử lý kết quả thử nghiệm. Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực hiện tham khảo tổng hợp các tài liệu, bài báo trong và ngoài nước về phương pháp đo biên dạng, tiến hành phân tích, xây dựng cơ sở lý thuyết đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser. Sử dụng các công cụ phần mềm vẽ 3D để xây dựng lại biên dạng chi tiết tròn xoay từ tọa độ đám mây điểm thu được. Thiết kế, chế tạo thiết bị thử nghiệm, xử lý số liệu đo và đo lường với mẫu trụ chuẩn, so sánh với phương pháp đo khác, … để kiểm chứng nhằm chứng minh cơ sở khoa học của các luận điểm lý thuyết đã nghiên cứu. - Phạm vi nghiên cứu: Các chi tiết tròn xoay có đường kính chi tiết (2 đến 40) mm, chiều dài đến 300 mm. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu a) Ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu: - Luận án đã xây dựng được cơ sở phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser giúp làm chủ lý thuyết và kỹ thuật đo của phương pháp này. - Đã nghiên cứu, tính toán các yếu tố ảnh hưởng chính đến độ chính xác của phương pháp đo. Từ đó, đề xuất các giải pháp nâng cao độ chính xác. Ứng dụng phương pháp đảo ngược nhằm khử độ lệch tâm giữa chi tiết đo và trục quay. - Nghiên cứu xây dựng phần mềm đo biên dạng chi tiết tròn xoay trên cơ sở đám mây điểm thu được từ cảm biến đo Laser Scan Micrometer, Thước quang và 2
Ecoder. Tính toán độ không đảm bảo đo của phép đo biên dạng chi tiết tròn xoay trên thiết bị chế tạo. b) Ý nghĩa thực tiễn của đề tài nghiên cứu: - Hiểu và làm chủ kỹ thuật đo, phương pháp đo để sử dụng hiệu quả hơn các thiết bị đo lường biên dạng bằng quét laser. - Nội dung của luận án có thể làm tài liệu tham khảo trong công tác nghiên cứu, giảng dạy về phương pháp đo biên dạng 3D không tiếp xúc. - Thiết bị sau khi nghiên cứu chế tạo được sử dụng trong đo lường biên dạng 3D các chi tiết tròn xoay, đặc biệt kiểm soát chất lượng đạn trong sản xuất Công nghiệp Quốc phòng. Thiết bị chế tạo được ứng dụng tại Trung tâm Đo lường/ Viện Công nghệ và được công nhận sáng kiến cấp Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng năm 2020 về ứng dụng thiết bị chế tạo để đo biên dạng đạn. Đạt giải ba Giải thưởng Khoa học Công nghệ Đo lường Việt Nam năm 2020. Đạt giải nhì Giải thưởng Tuổi trẻ sáng tạo trong Quân đội năm 2021. 4. Các kết quả mới của luận án - Xây dựng cơ sở phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser. Đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng chính đến kết quả đo của phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser: cảm biến Laser Scan Micrometer, điểm đặt mẫu ban đầu, nghiêng trục dẫn hướng, lệch đầu đo. Tính toán các sai lệch. - Nghiên cứu các giải pháp nâng cao độ chính xác của phương pháp đo: ứng dụng phương pháp đảo ngược khử độ lệch tâm, hiệu chỉnh vị trí chi tiết đo trong vùng quét, hiệu chỉnh sai số cảm biến LSM. - Chế tạo thành công thiết bị thử nghiệm 3D-LSM-01 đo biên dạng chi tiết tròn xoay có đường kính (2 đến 40) mm, độ phân giải 0,05 µm, độ chính xác đường kính ± 2 µm và chiều dài đến 300 mm, độ phân giải 0,5 µm, độ chính xác ± 5 µm. Đánh giá khả năng đo của thiết bị chế tạo và thực nghiệm chứng minh các giải pháp nâng cao độ chính xác đo đã đề xuất. Tính toán độ không đảm bảo đo của thiết bị sau chế tạo. Ứng dụng đo các chi tiết biên dạng tròn xoay. 3
Chương 1. ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY 1.1 Đặt vấn đề Trong các chi tiết máy chi tiết dạng tròn xoay là chi tiết chiếm đa số. Chúng là thành phần quan trọng của các bộ phận như ổ lăn, trục chính máy công cụ, piston động cơ, … Bên cạnh yêu cầu kỹ thuật về dung sai kích thước, vị trí tương quan thì yêu cầu về độ chính xác hình dáng của chi tiết cũng rất quan trọng (cỡ từ 0,1 µm đến vài chục µm). Các sai số hình dáng bao gồm độ tròn, độ trụ, độ thẳng, …Các sai số này ảnh hưởng trực tiếp đến chức năng làm việc của chi tiết máy và bộ phận máy. Sai lệch lớn làm cho thiết bị hoạt động kém hiệu quả, ví dụ: trục chính của các máy công cụ như máy tiện, máy phay có tiết diện mặt cắt ngang không tròn, quá trình làm việc trục quay gây ra đảo, độ đảo này in dập trên các bề mặt gia công dẫn đến sai số hình dáng của chi tiết [1], [2]. Tương tự các bộ đôi piston xilanh có bề mặt không tròn, khe hở làm việc không đồng đều trên cùng một tiết diện, làm giảm hiệu suất của máy. Đối với các bộ truyền động sai lệch độ tròn của bề mặt ổ lăn, ổ trượt và các chi tiết tham gia lắp ghép có tác động tới đặc tính lắp ghép, ảnh hưởng độ chính xác truyền động [3], [4], [5]. Đặc biệt với chi tiết đạn (Hình 1.1), sai lệch biên dạng ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình chuyển động của đạn trong buồng đạn và quỹ đạo chuyển động đầu đạn khi bắn đến mục tiêu. Có nhiều nguyên nhân trong gia công dẫn đến sai số biên dạng như: sai số truyền chuyển động của máy công cụ; biến dạng do tác động nhiệt độ, áp suất hoặc ứng suất; do mòn dao và rung động trong quá trình gia công, …Việc xác định các sai số biên dạng là rất quan trọng quyết định việc điều chỉnh công nghệ gia công nhằm đáp ứng chất lượng các sản phẩm đầu ra [6], [7], [8]. Đặc biệt với các chi tiết vũ khí, đạn dược, khí tài, tên lửa,… biên dạng ảnh hưởng rất lớn tới tính năng hoạt động của nó trong chiến đấu. Hình 1. 1: Biên dạng viên đạn hoàn chỉnh. Phép đo độ tròn có thể được áp dụng để kiểm soát chất lượng của các chi tiết tròn xoay nếu giả định rằng sai số độ thẳng của chi tiết là tương đối nhỏ so với sai số độ tròn của một mặt cắt ngang bất kỳ của chi tiết. Các phép đo độ tròn cũng đủ khi giả định rằng biên dạng độ tròn ở tất cả các mặt cắt ngang của trục rất giống nhau. Nếu không, cần tiến hành đo độ cong trục để xác định các lỗi biên dạng trên toàn bộ chi tiết được khảo sát. Phép đo độ tròn dễ thực hiện và dễ phân tích hơn bởi vì nó là một bài toán đo lường hai chiều, trong khi sai lệnh biên dạng chi tiết tròn xoay phải được phân tích một cách tương đối trong một không gian ba chiều. Nội dung Chương 1 trình bày tổng quan về đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay. Định nghĩa và phân tích rõ về sai lệch biên dạng chi tiết tròn xoay theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 12180-1:2011 trong mục 1.2. Mục 1.3 trình bày các phương pháp 4