Tóm tắt 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:24

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "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: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay bằng phương pháp quét laser

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. 1
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 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. 2
- Phương pháp nghiên cứu: Luận án đã sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thí nghiệm, sử dụng các công cụ toán học kết hợp tin học xử lý kết quả thí 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 thí 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 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. 3
- 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 thí 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. 5. Bố cục của luận án Luận án được bố cục 4 chương, bao gồm: Chương 1: Đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay Chương 2: Xây dựng cơ sở phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay bằng quét laser 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 Chương 4: Thử nghiệm đánh giá kết quả đo biên dạng chi tiết tròn xoay Kết luận và hướng phát triển tiếp theo. 4
Chương 1. ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Định nghĩa về sai lệch biên dạng chi tiết tròn xoay Sai lệch khi đo biên dạng chi tiết tròn xoay cơ bản giống các sai lệch khi xác định biên dạng hình trụ theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 12180-1:2011, Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 5906 : 2007 và TCVN 7294 -1: 2003. Định nghĩa về mặt toán học vùng dung sai bao gồm một tập hợp các điểm Pi nằm trong hai hình trụ giới hạn có bán kính r1 và r2 (r1 < r2) (Hình 1.2): Hình 1. 2: Các điểm nằm trong dung sai [1]. Sai lệch biên dạng chi tiết tròn xoay được chia thành các dạng như sai lệch đường tâm chỉ ra trên Hình 1.3, sai lệch hướng tâm Hình 1.4 và sai lệch mặt cắt mô tả trên Hình 1.5. - Sai lệch đường tâm: độ lệch trong phôi hình trụ danh nghĩa có trục cong (ở chế độ phẳng hoặc không gian), nhưng có tiết diện là hình tròn và bán kính không đổi. - Sai lệch hướng tâm, nghĩa là các biến thể trong kích thước mặt cắt ngang: độ lệch trong phôi hình trụ danh nghĩa có tất cả các mặt 5
cắt ngang hình tròn và đồng tâm với một trục thẳng, nhưng đường kính của nó thay đổi dọc theo trục có quy luật đơn giản hoặc phức tạp hoặc ngẫu nhiên (độ lệch điển hình bao gồm hình nón, dạng thùng hoặc dạng phức tạp hơn). - Sai lệch mặt cắt: độ lệch trong phôi hình trụ danh nghĩa có mặt cắt ngang cùng kích thước và hình dạng, nhưng không tròn (Sai lệch độ tròn của mặt cắt ngang phát sinh từ quá trình chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay hoặc kết hợp). Các sai lệch trên được đánh giá bằng các thông số độ tròn, độ trụ, độ thẳng: - Sai lệch độ tròn là khoảng cách lớn nhất ∆m từ các điểm của biên dạng thực tới các điểm tương ứng trên đường tròn áp. - Sai lệch độ thẳng là khoảng cách lớn nhất ∆s từ các điểm trên đường thẳng thực tới đường thẳng áp. - Sai lệch độ trụ là khoảng cách lớn nhất từ các điểm của biên dạng thực tới các điểm tương ứng trên đường tròn áp chạy dọc trên toàn bộ chiều dài được gọi ra của đối tượng. 1.3 Các phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết tròn xoay Bất kỳ bề mặt cong ba chiều (3D) nào của chi tiết đều có thể đại diện bởi một tập hợp các điểm đã biết tọa độ (x, y, z) và sau đó sử dụng một mô hình toán học để mô tả hình dạng bề mặt dựa trên những điểm này. Do đó, mục tiêu cuối cùng của kỹ thuật đo lường biên dạng 3D cho cả hai phương pháp tiếp xúc và không tiếp xúc là xác định tọa độ Descartes của các điểm trên bề mặt chi tiết đo [11, 12]. Mỗi một phương pháp đo biên dạng 3D đều có ưu nhược điểm khác nhau nên tùy vào từng mục đích, tùy vào từng loại sản phẩm, yêu cầu sai số, … để người sử dụng lựa chọn phương pháp, loại thiết bị đo cho phù hợp. Trong công nghiệp để đo biên dạng chi tiết tròn xoay thường sử dụng các phương pháp đo như: Phương pháp đo với chi tiết chuyển động, đầu đo đứng yên; phương pháp với chi tiết đứng yên, đầu đo chuyển động và phương pháp kết hợp cả chi tiết, đầu đo đều chuyển động (Hình 1.9). Phương pháp với chi tiết đo chuyển động đòi hỏi phải có cơ cấu gá đặt chi tiết cứng vững, yêu cầu độ chính xác của chuyển động quay, tịnh tiến cao. Phương pháp với đầu đo chuyển động yêu cầu dịch chuyển đầu đo phải rất chính xác. Với các thiết bị 6
đo biên dạng yêu cầu độ chính xác cao thường lựa chọn giải pháp đầu đo cố định khi đo và chi tiết đo chuyển động [13]. Từ các phương pháp trên dựa vào quan hệ giữa cảm biến đo và chi tiết đo ta có phương pháp đo tiếp xúc và không tiếp xúc. 1.3.1 Phương pháp đo biên dạng 3D tiếp xúc Phương pháp đo tiếp xúc là phương pháp đo giữa đầu đo và bề mặt chi tiết đo tồn tại một áp lực gọi là áp lực đo. Ví dụ như đo bằng dụng cụ đo cơ khí quang, cơ, điện tiếp xúc, …áp lực này làm cho vị trí đo ổn định vì thế kết quả đo tiếp xúc rất ổn định. Tuy nhiên, do có áp lực đo mà khi đo tiếp xúc không tránh khỏi sai số do các biến dạng có liên quan đến áp lực đo gây ra, đặc biệt là khi đo các chi tiết bằng vật liệu mềm, dễ biến dạng hoặc có các hệ đo kém cứng vững [11, 14]. 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 và các thao tác đo nhiều do đó dù có độ chính xác khá cao nhưng để đo một chi tiết thường mất nhiều thời gian và khó thực hiện trên dây chuyền sản xuất [12, 15]. Ngoài ra, với đầu đo tiếp xúc độ chính xác cao (đầu đo máy đo độ tròn) thì phạm vi đo lại bị giới hạn (vài trăm micromet) khi đo biên dạng tròn xoay có thay đổi bán kính lớn là một trở ngại. 1.3.2 Phương pháp đo biên dạng 3D không tiếp xúc Phương pháp đo không tiếp xúc là phương pháp đo sử dụng hệ thống quang học, giữa đầu đo và bề mặt chi tiết đo không có áp lực đo [12, 15]. Phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng tia X, sóng siêu âm, laser 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 (Active) và quét bị động (Passive) [16, 17] (Hình 1.12). Phương pháp đo chủ động có độ chính xác cao hơn song phương pháp đo bị động thường có tốc độ đo nhanh hơn. Hầu hết các thiết bị đo sử dụng camera làm cảm biến hình ảnh với tốc độ chụp hình cao có thể đến hàng triệu ảnh trong một giây, số điểm đo tương ứng với số điểm ảnh của camera nên tốc độ đo rất nhanh, có khả năng đo quét các chi tiết trực tuyến [18, 19, 20, 21, 22, 23, 24]. 7
Hình 1. 1: Phân loại phương pháp đo không tiếp xúc quang học. 1.3.3 Phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser Nguyên lý của phương pháp là xác định biên dạng từng mặt cắt của chi tiết tròn xoay bằng quét laser đầu ra dạng xung với chi tiết quay (Hình 1.18). Kết hợp chuyển động tịnh tiến dọc trục sẽ xác định được biên dạng toàn bộ chi tiết tròn xoay cần đo. Nguồn laser đặt tại tiêu diện trước của thấu kính chuẩn trực TK1 nên chùm laser quét giữa hai thấu kính TK1 và TK2 là chùm song song. Khi chi tiết đo đặt vào vùng quét laser thì tín hiệu thu được ở tế bào quang điện có dạng xung và đoạn xung ở mức 0 chính là khoảng thời gian vùng laser bị che khuất bởi chi tiết đo (Hình 1.20). Độ rộng của xung này tỷ lệ với kích thước chi tiết đo nên thông qua việc xác định các khoảng thời gian xung ta có thể xác định được kích thước của chi tiết [27, 28, 29, 30]. 8
Hình 1. 2: Nguyên lý cảm biến Laser scan micrometer. Tín hiệu thu được từ cảm biến có dạng xung với chu kỳ T = ton + toff Khi đặt vật đo vào vùng quét laser giữa hai thấu kính thì đoạn xung ton chia thành 3 đoạn t1, t2, t3 (Hình 1.20) với t1, t3 là thời gian xung ở mức 1 và t2 là thời gian xung ở mức 0, đây chính là khoảng thời gian laser bị che khuất bởi chi tiết đo. Mạch xử lý tín hiệu đo cho ta các giá trị thời gian t1, t2, t3 và tính toán ra các khoảng cách tương ứng trên một lần quét laser. Chi tiết quay ta xác định được biên dạng tại một mặt cắt ngang của chi tiết. Hiện nay, các cảm biến đo Laser scan micrometer trong công nghiệp có thể đạt được độ phân giải đến 0,01 µm, độ lặp lại 0,03 µm, độ chính xác 0,5 µm và tốc độ quét mẫu đến vài nghìn lần/giây [28, 29, 30]. Như vậy, với phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser có thể đạt độ chính xác và tốc độ đo biên dạng rất cao. 1.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước về phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay 1.5 Kết luận Chương 1 Nội dung chương 1 đã trình bày tổng quan về các phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay. Phương pháp đo tiếp xúc cho độ chính xác cao nhưng tốc độ đo chậm, một số loại độ chính xác rất cao thì dải đo lại hẹp và với các chi tiết mà kết quả đo ảnh hưởng bởi lực đo là một yếu điểm của phương pháp đo loại này. Ngoài ra, với phương pháp đo biên dạng tiếp xúc yêu cầu đầu đo phải được hiệu chỉnh thường xuyên, kết cấu hệ thống đo phức tạp, khó thực hiện trực tiếp trên dây chuyền sản xuất. Với phương pháp không tiếp xúc 9
cho tốc độ đo nhanh, có thể đo trực tiếp trên dây chuyền sản xuất, vì không tồn tại lực đo nên có thể đo được các chi tiết mềm, biên dạng phức tạp. Tuy nhiên, phương pháp không tiếp xúc lại chịu ảnh ưởng nhiều bởi môi trường, chất lượng bề mặt và khó đạt độ chính xác cao như phương pháp tiếp xúc. Ngày nay, với sự phát triển phần cứng và hỗ trợ bằng phần mềm thì nhược điểm của phương pháp đo không tiếp xúc được khắc phục đáng kể, đặc biệt là độ chính xác, do đó phương pháp này ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong đo lường công nghiệp. Phương pháp đo biên dạng sử dụng laser quét cho tốc độ đo nhanh, độ chính xác cao nhờ sử dụng cảm biến đo Laser scan micrometer có thể đạt được độ phân giải đến 0,01 µm, độ lặp lại 0,03 µm, độ chính xác 0,5 µm và tốc độ quét mẫu đến vài nghìn lần/giây. Hiện nay, các nghiên cứu trên thế giới chủ yếu là phương pháp tiếp xúc và tập chung nghiên cứu giải pháp giảm thiểu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi đo biên dạng chi tiết tròn xoay. Một số nghiên cứu, ứng dụng laser 2D, laser sử dụng hiệu ứng Doppler trong đo biên dạng tròn xoay. Chưa có công trình khoa học đầy đủ nào công bố về phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng cảm biến Laser Scan Micrometer. Do đó, nội dung luận án tập trung nghiên cứu các vấn đề chính sau: - Nghiên cứu cơ sở phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay. - Nghiên cứu xây dựng phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay bằng quét laser. - Nghiên cứu, phân tích và tính toán các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser. - Đề xuất giải pháp nâng cao độ chính xác của phương pháp đo xây dựng. - Xây dựng mô hình thiết bị thí nghiệm ở điều kiện Việt Nam. - Thí nghiệm đo biên dạng một số chi tiết tròn xoay và đánh giá độ không đảm bảo đo của phép đo biên dạng sử dụng thiết bị sau chế tạo. Chương 2. XÂY DỰNG CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY BẰNG QUÉT LASER 2.1 Mô hình toán học biên dạng chi tiết tròn xoay 2.1.1 Định nghĩa chi tiết tròn xoay 10
Trong tọa độ không gian đề các vuông góc OXYZ khi quay mặt phẳng YOZ chứa đường cong C(z,y) quanh trục OZ một góc 360 thì mỗi điểm Pij trên đường cong C(z,y) sẽ vạch ra một đường tròn có tâm Oi thuộc trục OZ và nằm trên mặt phẳng vuông góc với OZ. Như vậy, khi quay đường cong C(z,y) nằm trong mặt phẳng YOZ quanh OZ thì sẽ tạo nên một hình được gọi là mặt tròn xoay. Đường C(z,y) được gọi là đường sinh của mặt tròn xoay đó. Trục OZ được gọi là trục của mặt tròn xoay (Hình 2.1). Hình 2. 1: Mô hình chi tiết tròn xoay. Tọa độ điểm Pij (xij, yij, zij) bất kỳ trên biên dạng chi tiết tròn xoay được xác định như sau:  xij  Rij sin  ij   yij  Rij cos  ij (2. 1)   zij  zi 2.1.2 Mô hình toán học biên dạng chi tiết tròn xoay thực Hình 2. 3: Mô hình toán học biên dạng chi tiết tròn xoay. 11
Biên dạng mặt cắt ngang của chi tiết tròn xoay được mô tả như là tín hiệu có chu kỳ xác định với tần số cơ bản bằng tần số quay của chi tiết. Một chi tiết tròn xoay được tạo thành từ các mặt cắt ngang liên tiếp được sắp xếp theo hướng dọc trục trong hệ tham chiếu OXYZ như hình 2.3 và biên dạng chi tiết tròn xoay được mô tả như một hàm Fourier mở rộng [32, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66]:  r  z ,   r0  z     a p ( z )cos( p )  bp ( z )sin( p )    (2. 2) p 1 Trong công thức (2.4), thành phần 2-5 là các thành phần điều hòa bậc nhất miêu tả tâm bình phương nhỏ nhất (LSC) của biên dạng mặt cắt ngang trong OXYZ. Thành phần 2 và 3 là các thành phần tuyến tính dọc trục Z (Thành phần lệch tâm đặt và lệch trục). Nếu chúng được loại bỏ, chi tiết tròn xoay sẽ nằm ngay trong hệ tọa độ chi tiết O’X’Y’Z’ như thể hiện trên hình 2.3. Mặc dù hướng và vị trí của chi tiết nói chung có thể thay đổi trong các hệ tọa độ khác nhau nhưng biên dạng chi tiết sẽ không thay đổi. Do đó, mô hình toán học của biên dạng chi tiết tròn xoay có thể được biểu thị bằng công thức: r  z,   r0  z   r1  z,   r2  z,  (2. 3) Ở đây:  Ma   Mb  r1  z ,     a1 j z j  cos( )    b1 j z j  sin( )  a1 cos( )  b1 sin( ) là thành phần  j2   j2  điều hòa bậc nhất đặc trưng cho tâm bình phương nhỏ nhất (LSC) của biên dạng tròn mỗi mặt cắt và là một thành phần thay đổi dọc trục Z. Rõ ràng, đường tâm cong được xác định thông qua các LSC bằng vectơ a1 ( z )  jb1 ( z ) như thể hiện trong hình 2.3.  r2  z,     a p ( z )cos( p )  bp ( z )sin( p )    đại diện cho độ không tròn của p2 biên dạng cắt ngang dọc theo chi tiết. Do đó, biên dạng chi tiết tròn xoay có thể được coi là tập hợp của nhiều mặt cắt ngang sắp xếp dọc theo đường tâm cong. Chúng ta có thể sử dụng phương pháp mặt cắt để đo độ lệch hướng tâm, độ tròn và vectơ LSC của mỗi mặt cắt ngang dọc theo chi tiết tròn xoay, sau đó xây dựng lại biên dạng chi tiết tròn xoay theo phương trình (2.5). Các lỗi biên dạng sau đó có thể được đánh giá dựa trên biên dạng chi tiết tròn xoay vừa xây dựng lại. 12
2.2 Nguyên lý, cấu tạo cảm biến đo Laser Scan Micrometer 2.2.1 Nguyên lý hoạt động cảm biến Laser Scan Micrometer Hình 2. 2: Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo LSM. Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo Laser scan micrometer được trình bày như sau (Hình 2.7): Laser được chiếu lên gương đa giác lắp cố định trên trục động cơ. Vị trí gương đa giác được điều chỉnh sao cho điểm laser chiếu trên gương trùng với vị trí tiêu điểm trước của thấu kính chuẩn trực. Động cơ quay làm quay gương đa giác tạo thành chùm tia laser và sau khi đi qua thấu kính chuẩn trực trở thành chùm song song. Thấu kính hội tụ có tác dụng hội tụ chùm tia song song quét qua vùng đo về mặt cảm biến quang điện. Khi đặt vật đo vào vùng quét laser giữa hai thấu kính, đường kính của vật đo tỷ lệ với thời gian chùm tia laser bị che khuất. Sau khi sử lý tín hiệu thu từ cảm biến quang điện ta xác định thời gian che khuất và tính được kích thước vật đo [27, 28, 29, 30, 67, 68, 69]. Với cảm biến quét laser LSM trong một chu kỳ quét ta xác định được các thông số sau (Hình 2.9): + Khoảng cách từ điểm cố định trên cùng vùng quét laser phía trên (Điểm T) đến điểm cao nhất trên bề mặt chi tiết đo (Điểm Pij) tương ứng với thời gian quét laser t1. + Khoảng cách từ điểm cao nhất (Điểm Pij) đến điểm thấp nhất (Điểm Hij) của chi tiết đo (Đường kính vật đo) ) tương ứng với thời gian quét laser t2. + Khoảng cách từ điểm thấp nhất (Điểm Hij) của chi tiết đo đến điểm cố định thấp nhất của vùng quét laser phía dưới (Điểm B) tương ứng với thời gian quét laser t3. 13
2.2.2 Cấu tạo cảm biến Laser Scan Micrometer Cảm biến LSM cấu tạo có 2 bộ phận chính: - Bộ phận tạo ra tín hiệu đo: Gồm có hệ quang (Gương, thấu kính, laser) và mạch tạo xung đo trên cơ sở các cảm nhận từ chi tiết đo. - Bộ phận xử lý tín hiệu và hiển thị kết quả đo: Gồm có bộ xử lý và chuyển đổi xung đếm thành kết quả đo kết hợp với hệ thống CPU chuyển đổi các dữ liệu đo sang các giao diện khác như: màn chỉ thị, bàn phím, máy in, chuyển đổi D/A.... 2.3 Phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay xử dụng quét laser Như đã phân tích ở mục 2.1 ta có công thức xác định biên dạng chi tiết tròn xoay như sau: r  zi ,ij   r0  zi   r1  zi , ij   r2  zi ,ij  (2. 4) Như vậy để xác định được biên dạng chi tiết tròn xoay cần xác định được các thông số biên dạng r0(zi), r1(zi, ij), r2(zi, ij), dịch chuyển dọc trục zi và góc quay ij (Hình 2.4). Phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng cảm biến Laser scan micrometer được trình bày như sau (Hình 2.18): Xét chi tiết trong hệ tọa độ đề các OXYZ với trục OZ trùng với trục chi tiết đo, OX trùng với phương của chùm quét laser (Chi tiết được đặt vuông góc với chùm laser). Hình 2. 3: Nguyên lý đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser. 14
2.4 Phương pháp quét mẫu và xây dựng thuật toán đo biên dạng chi tiết tròn xoay 2.4.1 Phương pháp quét mẫu 2.4.2 Xây dựng thuật toán đo biên dạng chi tiết tròn xoay 2.5 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay 2.6 Kết luận chương 2 Nội dung chương 2 đã trình bày định nghĩa và mô hình toán học biên dạng chi tiết tròn xoay lý tưởng. Xây dựng mô hình toán học biên dạng chi tiết tròn xoay thực. Biên dạng chi tiết được hình thành từ tập hợp biên dạng 2D các mặt cắt ngang sắp xếp dọc theo đường tâm cong. Công thức xác định biên dạng chi tiết tròn xoay: r  zi ,ij   r0  zi   r1  zi , ij   r2  zi ,ij  với r0(zi) là bán kính trung bình của mặt cắt ngang zi; r1(zi, ij) đặc trưng cho tâm mặt cắt ngang được xác định theo phương pháp tâm bình phương nhỏ nhất (Least Squares Circles); r2(zi, ij) thể hiện độ không tròn của biên dạng mặt cắt ngang. Đã trình bày nguyên lý hoạt động cảm biến đo Laser scan micrometer và các thông số xác định được trong một lần quét laser. Trình bày cấu tạo và chức năng các bộ phận chính của cảm biến đo LSM. Xây dựng phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser: Tọa độ các điểm đo được xác định bằng tung độ yPij của điểm Pij từ cảm biến đo LSM từ đó xác định được tọa độ tâm bằng phương pháp tâm bình phương nhỏ nhất và độ không tròn của mặt cắt ngang. Phân tích ưu điểm, nhược điểm của các phương án quét mẫu: Phương pháp lồng chim, phương pháp đường xoắn ốc, phương pháp đường sinh, phương pháp điểm và phương pháp mặt cắt tròn. Với đặc điểm của quét laser cho tốc độ đo nhanh nên phương pháp quét mẫu theo mặt cắt tròn là phù hợp để xây dựng biên dạng chi tiết tròn xoay. Xây dựng thuật toán và sơ đồ nguyên lý của thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay bằng quét laser. 15
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 Nội dung chương tập trung xây dựng thiết bị thực nghiệm và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay bằng quét laser đã xây dựng ở Chương 2. Có hai nguyên nhân chính gây ra sai số là do phương pháp đo và kết cấu của thiết bị đo. Một nguyên nhân có thể gây ra nhiều sai số và cùng một sai số có thể do nhiều nguyên nhân. Mục 3.1 trình bày nội dung xây dựng thiết bị thực nghiệm 3D-LSM-01. Mục 3.2 trình bày các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay xử dụng quét laser: vị trí gá đặt mẫu, lệch đường dẫn hướng, cảm biến không đi qua tâm quay và sai số do cảm biến LSM. Tính toán, mô phỏng ảnh hưởng của các yếu tố và đưa ra các giải pháp nâng cao độ chính xác. Mục 3.3 trình bày một số giải pháp nâng cao độ chính xác của phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser (Phương pháp đảo ngược, giải pháp hiệu chỉnh vị trí vật đo trong vùng quét laser, hiệu chỉnh cảm biến LSM). Kết luận các nội dung nghiên cứu của Chương 3 ở mục 3.4. 3.1 Xây dựng thiết bị thực nghiệm 3D-LSM-01 Với sơ đồ nguyên lý thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay (Hình 2. 24) đã trình bày ở Chương 2. Luận án xây dựng mô hình thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser 3D-LSM- 01 gồm các bộ phận chính như cụm chuyển động quay, cụm chuyển động tính tiến, bộ hiển thị tọa độ, hộp điều khiển, thiết bị quét laser, cảm biến đo góc quay và dịch chuyển dọc trục (Hình 3.1). 16
Hình 3. 1: Mô hình thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng phương pháp quét laser 3D-LSM-01. Hình 3. 2: Thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser 3D- LSM-01 sau chế tạo. 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 3.2.1 Sai số do lệch điểm đặt mẫu ban đầu 3.2.2 Sai số do cảm biến không đi qua tâm quay 3.2.3 Sai số do lệch đường dẫn hướng 3.2.4 Sai số do độ chính xác của cảm biến đo LSM 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 3.3.1 Nâng cao độ chính xác bằng phương pháp đảo ngược 17
Hình 3. 47: Nguyên lý phương pháp đảo ngược sử dụng đầu đo LSM. Khi chi tiết quay kết quả đo thu được từ đầu đo trên (đầu đo dưới) sẽ bao gồm biên dạng chi tiết và độ lệch tâm. Khi chi tiết đảo ngược (Quay 180o) thì kết quả đầu đo dưới (đầu đo trên) cũng phản ánh giá trị đo biên dạng và độ lệch tâm nhưng ngược dấu. Do đó, kết hợp hai bộ dữ liệu đo này ta xác định được biên dạng chi tiết và loại bỏ được độ lệch tâm tại từng vị trí góc quay Error! Reference source not found., Error! Reference source not found., Error! Reference source not found., Error! Reference source not found., Error! Reference source not found., Error! Reference source not found., Error! Reference source not found.. 3.3.2 Nâng cao độ chính xác bằng hiệu chỉnh vị trí chi tiết đo trong vùng quét laser Trong mục 3.2.4.2e đã chứng minh sự ảnh hưởng của đường kính tia laser tại vị trí quét cạnh chi tiết. Khi kích đường kính càng nhỏ thì sai số càng giảm. Ta có thể làm cho đường kính tia Laser nhỏ bằng cách thu hẹp tiết diện phát của nguồn Laser nhưng điều này gặp phải khó khăn là khi đó quang thông của tia nhỏ làm giảm khả năng đọc tín hiệu của tế bào quang điện. Để thu hẹp đường kính tia laser ta sử dụng tính chất: "Một chùm sáng song song khi qua một thấu kính hội tụ sẽ hội tụ tại tiêu diện của nó". 18
Với sơ đồ đặt vị trí chi tiết như ở hình 3.48 thì khi cạnh chi tiết đặt tại tiêu diện của thấu kính thì đường kính của tia quét ở đó là nhỏ nhất. Như vậy, theo phương quét laser để nâng cao độ chính xác cần hiệu chỉnh vị trí chi tiết đo về tiêu diện của thấu kính chuẩn trực F. Nhận xét mục 3.2.4.2d cho thấy khi chi tiết ở vị trí bất đối xứng cho sai số lớn hơn khi chi tiết ở vị trí đối xứng với quang trục và càng xa quang trục sai số càng tăng. Do đó, để giảm sai số thì vị trí chí tiết đo cần đối xứng với quang trục. Hình 3. 48: Sự thu hẹp đường kính tia quét laser tại tiêu diện của thấu kính. 3.3.3 Nâng cao độ chính xác bằng hiệu chỉnh cảm biến LSM Mục 3.1.2 đã tính toán mối quan hệ giữa kích thước đo và kích Dđo  thước thực tế do phản xạ bề mặt gây ra là tuyến tính (  cos  const ) D 2 Sai số đo đường kính chi tiết bằng cảm biến LSM tăng khi góc quét  tăng (Đường kính tăng). Vì vậy, trong cả hai trường hợp này để nâng cao độ chính xác của phương pháp cần hiệu chỉnh cảm biến LSM ở các dải do khác nhau bằng việc sử dụng các mẫu trụ chuẩn có kính thước nằm trong dải đo của cảm biến LSM. Hiệu chỉnh máy thực chất là việc điều chỉnh các kết quả đo theo quy luật mà người sử dụng mong muốn trên cơ sở các khả năng cho phép về xử lý phần mềm của cảm biến LSM. 3.4 Kết luận chương 3 Nội dung chương 3 đã phân tích các nguyên nhân gây ra sai số của phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser: Sai lệch điểm đặt mẫu ban đầu (lệch tâm và lệch trục), sai lệch 19
đầu cảm biến không đi qua tâm quay, sai số do lệch đường dẫn hướng ban đầu cũng như trong quá trình chuyển động. Tính toán các sai số ảnh hưởng và mô phỏng với một bài toán cụ thể. Phân tích, tính toán các nguyên nhân gây ra sai số đo đối với cảm biến đo LSM: + Độ lệch tiêu điểm khi sử dụng gương đa giác. + Xác định độ không song song của tia quét khi tia quét góc lệch tiêu điểm. + Sai số đo khi tia quét không song song với quang trục. + Sai số do đường kính chi tiết đo và vận tốc quét của tia laser. + Sai số do kích thước tia laser. + Sai số do độ ổn định góc quay của gương đa giác. + Sai số do hình dáng chi tiết. + Sai số do đặc trưng bề mặt chi tiết. Nghiên cứu đề xuất các giải pháp nâng cao độ chính xác của phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay bằng quét laser: + Xây dựng giải pháp nâng cao độ chính xác đo bằng phương pháp đảo ngược nhằm khử độ lệch tâm giữa tâm chi tiết đo và tâm quay. + Nâng cao độ chính xác bằng hiệu chỉnh vị trí chi tiết đo trong vùng quét laser. + Nâng cao độ chính xác bằng phương pháp hiệu chỉnh sai số cảm biến LSM. Chương 4. THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY Để có thể đánh giá kết quả nghiên cứu về phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser và các giải pháp kỹ thuật nâng cao độ chính xác cần các nghiên cứu thực nghiệm trên thiết bị đo chế tạo được. Chương này trình bày các kết quả đánh giá sai số thiết bị thử nghiệm trong mục 4.1. Mục 4.2 thử nghiệm chứng minh giải pháp đảo ngược nâng cao độ chính xác. Mục 4.3 thử nghiệm chứng minh ảnh hưởng của vị trí đặt mẫu trong vùng laser quét đến sai số đo biên dạng. Tính toán độ không đảm bảo đo của phương pháp và thiết bị đo biên dạng chế tạo được trình bày ở mục 4.4. Mục 4.5 là kết quả đo biên dạng một số chi tiết dạng tròn xoay và những kết luận về phương pháp, thiết bị đo, ứng dụng trong mục 4.6. 20