Tài liệu Nghiên cứu hệ thống điều khiển số dịch chuyển quay hai trục toạ độ và ứng dụng trong máy mài nghiền chi tiết quang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Nghiên cứu hệ thống điều khiển số dịch chuyển quay hai trục toạ độ và ứng dụng trong máy mài nghiền chi tiết quang. NGÀNH: CƠ KHÍ CHÍNH XÁC VÀ QUANG HỌC BÙI BÁ CHÍNH Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn trọng hùng Hà Nội - 10/2007 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH : CƠ KHÍ CHÍNH XÁC & QUANG HỌC. NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC PHÉP ĐO TRÊN MÁY ĐO TỌA ĐỘ BA CHIỀU VŨ VĂN DUY HÀ NỘI 2007 LuËn v¨n Cao häc Trang 1 Vò V¨n Duy Mở đầu Khoa học phát triển đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của con người, đồng thời các thiết bị càng ngày càng có những khả năng đặc biệt để giúp con người xác định, nhận biết và phân loại sản phẩm. Cụ thể, hiện nay có những thiết bị chuyên dụng nhằm đảm bảo chất lượng và yêu cầu chuyên môn hoá trong sản xuất công nghiệp. Mỗi thiết bị đều có những khả năng nhất định, nếu người sử dụng có những hiểu biết về thiết bị sẽ sử dụng thiết bị có hiệu quả hơn. Riêng trong ngành cơ khí, việc sử dụng thiết bị đo lường là rất quan trọng. Vì đây sẽ là kết quả để đánh giá khả năng gia công cũng như đưa ra được những dự báo về khả năng, tuổi thọ của chi tiết được chế tạo. Đây là một vấn đề lớn, bởi vì các hình dạng của chi tiết được chế tạo rất phức tạp, nhiệm vụ đặt ra là tìm được một kích thước chung nhất để đại diện cho chi tiết thực. Máy đo toạ độ là một thành tựu to lớn của khoa học kỹ thuật, dùng để đo kích thước hình học của vật thể. Loại máy này được đánh giá cao hơn các loại công cụ đo chiều dài khác vì dễ sử dụng, đo được nhiều thông số và có độ chính xác cao. Những năm gần đây máy đo tọa độ được sử dụng rộng rãi ở việt nam. Trong tương lai thiết bị này sẽ còn được sử dụng rộng rãi hơn. Tuy nhiên, hiểu biết về thiết bị này còn chưa nhiều, vì vậy việc khai thác sử dụng còn nhiều hạn chế. Bản luận văn này tiếp cận máy đo tọa độ theo hướng nghiên cứu tìm hiểu một số yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến độ chính xác phép đo. Trong đó, đặc biệt quan tâm đến quy trình lấy điểm đo trên bề mặt chi tiết nhằm nâng cao độ chính xác của phép đo trên cùng một thiết bị. Nghiªn cøu ph-¬ng ph¸p n©ng cao ®é chÝnh x¸c phÐp ®o trªn m¸y ®o to¹ ®é ba chiÒu LuËn v¨n Cao häc Trang 2 Vò V¨n Duy Với đề tài “nghiên cứu phương pháp nâng cao độ chính xác phép đo trên máy đo tọa độ ba chiều” bản luận văn này đề cập đến một số nội dung sau: - các vấn đề tổng quan về máy đo tọa độ. - các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. - phương pháp xác định các kích thước hình học phổ biến. - phương pháp đo đường kính hình trụ đặt trong không gian, hy vọng rằng với hướng tiếp cận này, bản luận văn sẽ góp một phần nhỏ trong việc tăng thêm hiểu biết về máy đo tọa độ nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng loại thiết bị đo này. Tuy nhiên, do thời gian và khả năng bản thân có hạn nên bản luận văn không tránh khỏi thiếu sót và hạn chế. Rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo, đồng nghiệp để bản luận văn được hoàn chỉnh hơn. Nghiªn cøu ph-¬ng ph¸p n©ng cao ®é chÝnh x¸c phÐp ®o trªn m¸y ®o to¹ ®é ba chiÒu LuËn v¨n Cao häc Trang 3 Vò V¨n Duy Chương i Tổng quan về máy đo tọa độ 1.1 giới thiệu chung về máy đo toạ độ: Đo lường các thông số hình học của sản phẩm cơ khí nhằm qua đó đánh giá được chất lượng sử dụng của nó luôn chiếm một vai trò quan trọng trong công nghiệp sản xuất cơ khí. Trước đây, người ta thường sử dụng các thiết bị đo như micrometers, panme, thước cặp, thước đo lỗ, thước đo sâu, thước đo chiều cao, kính hiển vi công cụ vạn năng... Để kiểm tra thông số kể trên. Tuy nhiên các dụng cụ đo này có phạm vi đo bị giới hạn, phải đọc kết quả trực tiếp trên các vạch khắc của thước và xử lý kết quả thủ công. Do những yêu cầu cấp thiết trong sản xuất chế tạo mà đo lường ngày càng phát triển để đáp ứng những yêu cầu đó. Nhiều phương pháp đo mới ra đời, nhiều phương tiện đo mới hiện đại được chế tạo với độ chính xác của phép đo ngày càng cao. Từ thập kỷ 70 trở lại đây cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành cơ - điện tử - tin học và việc ứng dụng những thành tựu của kỹ thuật - điện tử tin học vào ngành cơ khí khiến cho đo lường tiến bộ vượt bậc. Sự ghép nối thành công giữa máy tính và máy công tác làm xuất hiện các thiết bị đo, hệ thống đo lường mới sử dụng kỹ thuật vi điện tử, vi xử lý có tính năng hiện đại và độ chính xác cao. Các thiết bị đo thông minh được cài đặt các bộ vi xử lý hay vi tính đơn phiến mà chúng có những khả năng vượt trội các thiết bị đo thông thường như: * cho phép chuyển thẳng số liệu đo vào máy tính để xử lý và đưa ra kết quả đo nhanh chóng - chính xác. * có khả năng tự xử lý và lưu giữ kết quả đo. * thực hiện công việc đo theo chương trình. * tự động thu thập số liệu đo và có khả năng truyền số liệu đi xa. Một bước nhảy vọt nhất là từ khi việc ghép nối máy tính và máy công tác trở thành hiện thực vào năm 1973 cho phép chuyển thẳng số liệu đo vào Nghiªn cøu ph-¬ng ph¸p n©ng cao ®é chÝnh x¸c phÐp ®o trªn m¸y ®o to¹ ®é ba chiÒu LuËn v¨n Cao häc Trang 4 Vò V¨n Duy máy tính để xử lý và đưa ra kết quả đo một cách nhanh chóng thì hàng loạt các thiết bị đo hiện đại ra đời: kính hiển vi đo lường kết nối camera, máy đo độ không tròn, máy đo độ nhám, độ cứng, máy đo biên dạng có ghép nối máy tính... Trong đó đặc biệt phải kể tới là máy đo tọa độ với các tên viết tắt như umm (universal measuring machine), cms (co-ordinate measuring system) hay cmm (co-ordinate measuring machine) đã sử dụng một cách hiệu quả những thành tựu đó để hoàn thiện khả năng đo lường vốn có của nó ngay cả với những phép đo phức tạp, khối lượng xử lý thông tin rất lớn. Máy đo tọa độ có khả năng xác định kích thước, hình dáng, sai số vị trí dễ dàng, chính xác, nhanh chóng với khả năng tiếp cận đối tượng đo phong phú nên hầu như các bề mặt hay vật thể thực đều đo được bởi thiết bị này. Do đó cmm đã trở thành một công cụ vạn năng và mạnh mẽ trong đo lường sản xuất cơ khí và trong nghiên cứu khoa học. với những ưu điểm nổi trội đó, máy đo tọa độ ngày càng được sử dụng rộng rãi trong đo lường sản xuất ở các quốc gia trên thế giới. Tại việt nam chỉ trong vài năm gần đây máy đo tọa độ của nhiều hàng sản xuất đã được giới thiệu và bán cho các cơ sở trung tâm sản xuất. Cmm đi vào ngành sản xuất cơ khí đã tạo ra một bước nhảy vọt trong đo lường cơ khí - góp phần đẩy mạnh sự phát triển của khoa học kỹ thuật. Muốn đáp ứng được sự phát triển trong sản xuất thì việc kiểm tra đo lường độ chính xác của chi tiết cũng phải được hiện đại hoá. Nhiều phương pháp đo mới cũng như thiết bị đo mới ra đời. Sự thành công trong ghép nối máy tính và máy công cụ đã quyết định sự xuất hiện của các trung tâm đo mềm. Điều đó có nghĩa là việc đo - di chuyển đầu đo được thực hiện nhờ hệ thống dẫn động tự động đồng thời việc xử lý dữ liệu đo được thực hiện qua hệ thống máy tính. Sau khi xử lý máy tính sẽ đưa ra tất cả các thông số cần đo mà người sử dụng yêu cầu. Một trong các thiết bị đo như thế là máy đo tọa độ. Cơ sở của phương pháp đo tọa độ dựa trên việc coi bề mặt chi tiết là một tập hợp có quy luật của vô số các điểm mà vị trí của một điểm bất kỳ nếu đặt trong một hệ tọa độ sẽ được xác định qua bộ tọa độ của điểm đó. Phương pháp này không mới nhưng khả năng mạnh mẽ tiềm tàng của nó được thực sự Nghiªn cøu ph-¬ng ph¸p n©ng cao ®é chÝnh x¸c phÐp ®o trªn m¸y ®o to¹ ®é ba chiÒu LuËn v¨n Cao häc Trang 5 Vò V¨n Duy phát huy trong máy đo tọa độ nhờ sự ghép nối để xử lý bằng máy tính. Ở đây ta đề cập tới bản chất của phương pháp đo này là một phép đo gián tiếp - khác với các phép đo trực tiếp như ở thước cặp, panme. Ví dụ khi đo đường kính của một hình trụ bằng thước cặp thì nó là khoảng cách giữa hai điểm xa nhất theo phương đo còn trong máy đo tọa độ thì ta xác định tọa độ một số điểm lựa chọn trên bề mặt trụ rồi từ đó qua chương trình trong máy tính tìm ra đường kính của đường tròn xấp xỉ tốt nhất với bộ điểm đó. Nghĩa là kết quả đo ở đây là một giá trị trung bình một đại lượng gián tiếp được xác định qua các đại lượng trực tiếp là tọa độ các điểm đo. Sau đây là một ví dụ có thể phần nào làm rõ đặc điểm m1, m2, m3 của phép đo tọa độ. Với một chi tiết như (hình 1.1) ta cần xác định đường kính của trụ ngoài và của lỗ. hình 1.1 Để tìm đường kính của trụ ngoài ta cố định a b c trục z và đo ba điểm a(x1, y1), b(x2, y2), c(x3, y3) của mặt ngoài, từ ba tọa độ này ta xác định được đường tròn qua 3 điểm có đường kính ∅1 - đó là đường kính trụ ngoài. Để đo đường kính lỗ xiên, người ta đo ba điểm trên bề mặt xiên m1(x1, y1, z1), m2(x2, y2, z2), m3(x3, y3, z3) xác định mặt phẳng này cùng vectơ pháp tuyến của nó. Lấy ba điểm m4(x4, y4, z4), m5(x5, y5, z5), m6(x6, y6, z6) trên mặt trụ trong rồi chiếu lên mặt phẳng đầu theo phương của vectơ pháp tuyến ta được các điểm có tọa độ (x’4, y’4, z’4), (x’5, y’5, z’5), (x’6, y’6, z’6). Từ ba điểm này ta xác định được đường tròn đường kính ∅2 - đó là đường kính của trụ xiên. Như vậy ta thấy phương thức tiếp cận đối tượng đo của máy đo tọa độ hoàn toàn mới: rất linh hoạt và hiện đại. Do đó các thiết bị đo tọa độ như máy đo tọa độ đềcác, độc cực, cầu, tay quay... Với khả năng đo lường lớn là không thể thiếu trong các trung tâm đo mềm một phần quan trọng trong hệ thống sản xuất linh hoạt. 1.2 phân loại các phương pháp đo tọa độ Nghiªn cøu ph-¬ng ph¸p n©ng cao ®é chÝnh x¸c phÐp ®o trªn m¸y ®o to¹ ®é ba chiÒu LuËn v¨n Cao häc Trang 6 Vò V¨n Duy Hiện nay, với công cụ toán học đa dạng chúng ta có thể thực hiện được tất cả các phép đo vị trí, kích thước tương quan hình dáng hình học của một đối tượng, nhất là các chi tiết có hình dạng phức tạp, đòi hỏi độ chính xác tương quan hình học cao. Vì thế công tác đo lường càng đòi hỏi cần phải áp dụng công nghệ tiên tiến và các công cụ toán học về đo lường. Đo lường các thông số hình học của chi tiết trong hệ tọa độ đề các ngày càng được áp dụng như một phương pháp đo lường phổ biến nhất trong việc xác định các thông số hình học của chi tiết. Có rất nhiều phương pháp để xác định tọa độ của một vị trí bất kỳ trong không gian. Nhưng việc xác định tọa độ điểm đo trong hệ trục tọa độ đề các là đơn giản hơn cả. Thêm vào đó việc chế tạo các thiết bị đo cho hệ tọa độ này cũng đơn giản rất nhiều. Đối với phần cứng của máy, những vấn đề khó khắc phục để tạo nên độ chính xác cao cho thiết bị như độ ổn định kết cấu, độ đảm bảo đo, độ chính xác thiết kế, độ cứng vững của phần cứng… đã được hạn chế một cách tối đa. Ngoài ra, đối với trợ giúp của phần mềm đo lường xử lý và tính toán dữ liệu đo, việc sử dụng các thuật toán để giải bài toán đo lường và đưa ra kết quả đo cũng cải thiện được phần sai số. Hơn thế nữa, hệ tọa độ đề các có kết cấu của máy đơn giản. Việc thiết kế ba trục chuyển động của đầu đo trùng với các trục x, y, z của hệ trục tọa độ đề các, trên đó có gắn với các thước định chiều dài tuân theo nguyên tắc abbe trong khi đo. Như vậy, càng làm cho máy đo tăng thêm độ chính xác. * hiện nay khi nói tới phương pháp đo tọa độ trong không gian người ta thường phân loại dựa trên các cơ sở sau: - dựa vào quan hệ giữa đầu đo và bề mặt chi tiết đo ta có đo tiếp xúc và đo không tiếp xúc (sử dụng đầu đo tiếp xúc hoặc đầu đo không tiếp xúc). Khi đo tiếp xúc đầu đo tiếp xúc với bề mặt chi tiết đo theo điểm, theo đường hoặc theo mặt. Khi đó giữa đầu đo và bề mặt chi tiết đo tồn tại một áp lực, gọi là lực đo. Lực đo làm cho sự tiếp xúc ổn định. Nhưng mặt khác dưới tác dụng của lực đo, bề mặt chi tiết sẽ bị biến dạng, nếu sự biến dạng vượt quá giới hạn đàn hồi, sau khi đo sẽ để lại vết trên bề mặt chi tiết đo. Nghiªn cøu ph-¬ng ph¸p n©ng cao ®é chÝnh x¸c phÐp ®o trªn m¸y ®o to¹ ®é ba chiÒu LuËn v¨n Cao häc Trang 7 Vò V¨n Duy Khi đo không tiếp xúc, đầu đo không tiếp xúc với mặt chi tiết đo, đo đó không có áp lực tiếp xúc giữa chúng, tức là không có lực đo. Đo không có lực đo nên không có sai số đo do biến dạng bề mặt, không làm tổn hại tới bề mặt chi tiết đo, đặc biệt là đối với các chi tiết làm bằng vật liệu kém bền. - dựa vào cấu trúc chuyển động giữa các phần của máy đo ta có các loại máy đo sau: máy đo tọa độ hệ tọa độ đề các, máy đo tọa độ dạng tay quay, hệ tọa độ độc cực… Máy đo tọa độ hệ tọa độ đề các là loại máy được xây dựng trên cơ sở gồm 03 chuyển động di chuyển đầu đo theo 03 trục của hệ tọa độ đề các. Mỗi trục xác định một tọa độ của điểm cần đo và kết hợp 3 tọa độ đó máy đo cho ta kết quả. Máy đo tọa độ dạng tay máy là loại máy được xây dựng trên cơ sở chuyển động quay của các khâu (gọi là tay máy). Đầu đo được di chuyển nhờ các khâu nối với nhau bằng các khớp quay. Các khớp quay được gắn sensor đo góc. Kết cấu nhỏ gọn, có thể gắn trên bàn máy hoặc ngay trên thân chi tiết đo. Như vậy, máy đo có thể di chuyển đầu đo một cách rất linh hoạt, các khâu có tính mềm dẻo cao, giảm được những hạn chế về không gian đo. Dựa vào độ dài của các khâu và tín hiệu đo góc quay, phần mền sẽ đưa ra kết quả đo là tọa độ các điểm đo trên bề mặt vật đo nhờ phép biến đổi từ hệ tọa độ cực và các phép tính ứng dụng cơ học hệ nhiều vật. - dựa vào hệ dẫn động các khâu của máy đo ta có các loại máy đo sau: máy tự động và máy điều khiển bằng tay. Nghiªn cøu ph-¬ng ph¸p n©ng cao ®é chÝnh x¸c phÐp ®o trªn m¸y ®o to¹ ®é ba chiÒu LuËn v¨n Cao häc Trang 8 Vò V¨n Duy Hình 1.2: máy đo tọa độ dạng quay hình 1.3: máy đo tọa độ đềcác máy đo điều khiển bằng tay tức là việc di chuyển đầu đo đến điểm cần đo được thực hiện bằng tay. Loại máy này thường phụ thuộc nhiều vào người thao tác, do vậy mang lại độ chính xác không cao cho phép đo và rất khó cho việc tích hợp với hệ thống kiểm tra tự động trên dây chuyền sản xuất. máy đo tọa độ tự động (cnc cmm) là loại máy mà việc dẫn động chuyển động của các khâu được thực hiện nhờ các động cơ điều khiển servo. Vì vậy việc di chuyển đầu đo tới vị trí cần đo được thực hiện một cách nhanh chóng, chính xác và có thể ứng dụng đo tự động trên dây chuyền sản xuất. Trong các thiết bị nêu trên, máy đo tọa độ hệ đề các được sử dụng rộng rãi nhất. Vì vậy, nội dung tiếp theo của luận văn tập trung nghiên cứu thiết bị này. 1.3. Giới thiệu máy đo tọa độ đề các. Cấu hình cơ bản của một máy đo tọa độ bao gồm các thành phần sau: * hệ thống đầu đo với hệ thống dẫn động đầu đo. * hệ thống điều khiển. * máy vi tính và phần mềm đo lường. * các thiết bị ngoại vi khác. Nghiªn cøu ph-¬ng ph¸p n©ng cao ®é chÝnh x¸c phÐp ®o trªn m¸y ®o to¹ ®é ba chiÒu LuËn v¨n Cao häc Trang 9 Vò V¨n Duy Hình 1.4: hệ thống máy đo tọa độ 3d hệ tọa độ đề các 1.3.1. Hệ thống đầu đo Đặc điểm của phương pháp đo tọa độ như đã nói ở trên là phải xác định tọa độ các điểm trên bề mặt chi tiết. Công việc này được thực hiện bởi các đầu đo. Nhiệm vụ của đầu đo là khi chạm vào chi tiết sẽ báo về vị trí của nó trong hệ tọa độ của máy chính là tọa độ điểm chạm trên bề mặt chi tiết. Đây chính là thiết bị cảm nhận thu nhận thông tin từ chi tiết đo nên đầu đo là một bộ phận quan trọng trong thiết bị đo tọa độ. Mỗi máy đo được trang bị một hệ thống đầu đo. Các đầu đo này phải đảm bảo lực tiếp xúc ổn định trong mọi điểm đo. Hệ thống đầu đo trong máy đo tọa độ gồm nhiều đầu dò. Mỗi đầu đo được ký hiệu bằng một chữ số và được ghi vào bảng đầu dò dưới số hiệu của nó. Trước khi đo phải xác định cỡ đầu dò rồi sử dụng đầu dò cần thiết tùy theo từng nhiệm vụ đo cụ thể theo số hiệu của nó. Một số nhiệm vụ đo cần phải đo với nhiều đầu dò thì có thể sử dụng chức năng thay đầu dò trong máy, khi đó máy đo sẽ tự động tính toán với đầu dò hiện thời. Đầu dò thường có dạng hình cầu để đo các phần tử hình học từ bất kỳ điểm nào trên bề mặt của nó đều cách tâm một khoảng cố định bằng bán kính cầu. * giá giữ đầu dò: Trước đây, các mũi dò lựa chọn cho từng công việc đo được gá lên đầu đo và sau đó được calip bằng chuẩn calip. Ngày nay công việc đó được thay thế bởi hệ thống thay đổi mũi dò mà hạt nhân của hệ thống này là một đĩa tiếp hợp để giữ các đầu dò cần thiết. Tổ hợp mũi dò tốt nhất có thể giữ được các Nghiªn cøu ph-¬ng ph¸p n©ng cao ®é chÝnh x¸c phÐp ®o trªn m¸y ®o to¹ ®é ba chiÒu LuËn v¨n Cao häc Trang 10 Vò V¨n Duy mũi dò phục vụ cho từng loại chi tiết đo hay họ các chi tiết. Đĩa tiếp hợp này có khả năng tiếp nhận các mũi dò trở lại vị trí với độ chính xác 1àm. Có các dạng mũi dò khác nhau được lưu giữ trên một giá giữ mũi dò. Giá giữ mũi dò đã được calip trước đó và trở thành dụng cụ đã được điều chỉnh. Các số liệu cần thiết khi thay đổi mũi dò đều được lưu giữ trong máy. Sự thay đổi mũi dò có thể thực hiện bằng tay hay trong các máy cmm hiện đại công việc này được thực hiện bởi cơ cấu tự động thay đổi mũi dò, thậm chí ngay cả trong khi đang đo tự động. Đĩa tiếp hợp là một trong những cụm chi tiết của hệ thống thay đổi mũi dò và đồng thời là bộ phận liên kết giữa mũi dò và các cảm biến. Bộ phận này thể hiện nguyên tắc không gian điểm đỡ có độ chính xác cao, một nam châm vĩnh cửu giữ và kẹp đĩa dùng lực gián tiếp. Để dịch chuyển hay gá đặt đĩa từ lực được tăng lên hay giảm đi theo yêu cầu. 1.3.2. Hệ thống dẫn động Muốn đo được các điểm khác nhau trên những bề mặt khác nhau của chi tiết ta cần cho đầu dò chạm vào các điểm đó. Như vậy đầu dò phải dịch chuyển được theo các phương khác nhau mà ở máy đo tọa độ đềcác, đầu dò dịch chuyển theo 3 chiều trục tọa độ ox, oy, oz của máy. Việc dẫn động đầu đo đòi hỏi phải nhẹ những, tránh va đập làm hỏng đầu dò cũng như phát sai tín hiệu về bộ xử lý. Do đó ta cần giảm hệ số ma sát trên các sống dẫn một cách tối đa nhằm giảm lực cản khi di chuyển đầu dò. Điều này được thực hiện nhờ một hệ thống đệm khí trên các sống dẫn và toàn bộ hệ thống đo đều được di chuyển trên đệm khí. Trong máy cmm của hãng tesa (mỹ) có tổng số 26 đệm khí gồm : 9 chiếc trên trục x, 9 chiếc trên trục y và 8 chiếc trên trục z. Trong máy cmm của hãng mitutoyo (nhật bản) có tổng số 20 đệm khí gồm: 7 chiếc trên trục x, 7 chiếc trên trục y và 6 chiếc trên trục z. Chúng có nhiệm vụ tạo sự chuyển động không tiếp xúc giữa các bề mặt trên sống dẫn nhờ sự cứng vững và lực nâng của các màng khí. Các đệm khí này được tính toán thiết kế phù hợp với yêu cầu về tải trọng và sai số tại từng trục cũng như từng vị trí trên trục. Đồng Nghiªn cøu ph-¬ng ph¸p n©ng cao ®é chÝnh x¸c phÐp ®o trªn m¸y ®o to¹ ®é ba chiÒu LuËn v¨n Cao häc Trang 11 Vò V¨n Duy thời tuỳ theo yêu cầu về định vị, điều chỉnh mà một số đệm khí có bulông điều chỉnh. Kích thước các đệm khí này không giống nhau tùy theo chức năng của nó: các đệm chịu lực lớn như trên trục x có kích thước lớn hơn các đệm chịu lực nhỏ hay để điều chỉnh trên trục z. Các đệm khí được hoạt động nhờ hệ thống cung cấp khí nén. Khí nén dùng để vận hành cmm cần thỏa mãn những yêu cầu sau: * áp suất khí vận hành của cmm trong khoảng 4 - 4,5 kgf/ cm2 * khí cần phải làm sạch trước khi đưa vào vận hành độ tinh khiết cần đạt 97% trở lên. Khí không được phép lẫn tạp chất ở thể rắn, dầu, hơi nước. Để lọc khí người ta sử dụng một màng lọc bằng than hoạt tính đặt sau màng lọc phụ. Hệ thống cung cấp khí nén bao gồm: * phần tử lọc khí. * bộ phận điều khiển áp suất. * các ống dẫn khí. * van tiết lưu * các đầu nối. * lưu lượng khí tiêu thụ 10 ÷15 lít/phút. Nghiªn cøu ph-¬ng ph¸p n©ng cao ®é chÝnh x¸c phÐp ®o trªn m¸y ®o to¹ ®é ba chiÒu LuËn v¨n Cao häc Trang 12 Vò V¨n Duy Hình 1.5: bộ điều chỉnh lượng cấp không khí 1.3.3. Hệ thống đo Để biết vị trí đầu dò hay chính là tọa độ điểm đo ta cần biết nó có vị trí như thế nào trên các trục tọa độ. Đối với máy đo tọa độ đề các vuông góc ta cần biết vị trí của đầu dò trên 3 trục ox, oy, oz của hệ tọa độ máy. Người ta thực hiện điều này bằng cách gắn trên 3 trục tọa độ máy 3 thước kính. Thước kính là một loại thước khắc vạch với độ chính xác rất cao được chế tạo từ thủy tinh đặc biệt có hệ số giãn nở nhiệt rất thấp khoảng 8 - 10ppm/k (8.10-6 1/độ). 12 Thước kính có phạm vi đo lớn, độ chính xác cao, tín hiệu đo được xử lý tự động và nhanh chóng qua một bộ đầu đọc tín hiệu mà vạch trên thước. Các thước trên 3 trục tọa độ có chiều dài khác nhau tương ứng với giới hạn đo của từng máy. 1.3.4. Máy tính và phần mềm đo lường Bộ phận đo trong máy xác định các điểm riêng biệt cần thiết trên bề mặt chi tiết đo, sau đó chương trình đo sẽ tính toán các thông số hình học từ tọa độ các điểm đó. Muốn tính toán được như vậy, trước hết khi đo phải tuân theo nguyên tắc số điểm đo ít nhất cho phép đối với từng hình dạng của vật đo. Ví dụ: để xác định một mặt phẳng cần ít nhất 3 điểm , một mặt côn cần ít nhất 6 điểm… khi số điểm đo thực hiện nhiều hơn số điểm ít nhất thì việc tính toán lại dựa trên phương pháp bình phương bé nhất để tìm ra thông số rồi so sánh với dung sai cho phép. Đó là cơ sở để xây dựng các phần mềm chuyên dùng cho máy đo tọa độ. Các chương trình phần mềm này được cài đặt trong máy tính. Máy tính chính là phương tiện để người sử dụng giao tiếp với máy đo. Như vậy tuỳ theo yêu cầu đo mà người dùng sẽ gọi một chương trình thích hợp trong hệ thống chương trình đó để điều khiển quá trình đo và xử lý số liệu đo đưa ra kết quả cuối cùng. Máy đo tọa độ có một chương trình cơ bản và một số chương trình phục vụ. Người ta còn đưa vào sử dụng các chương Nghiªn cøu ph-¬ng ph¸p n©ng cao ®é chÝnh x¸c phÐp ®o trªn m¸y ®o to¹ ®é ba chiÒu LuËn v¨n Cao häc Trang 13 Vò V¨n Duy trình con (part program ) để sử dụng trong những yêu cầu đo đơn giản nhằm tiết kiệm bộ nhớ, thời gian. Chương trình cơ bản của máy đo tọa độ có 4 phương thức hoạt động: * phương thức đơn: được sử dụng nếu nhiệm vụ đo chỉ xuất hiện một lần và không yêu cầu lặp lại quá trình đo, khi đó quá trình đo sẽ không được đưa vào bộ nhớ. * phương thức học: được sử dụng nếu quá trình đo và đánh giá lặp lại nhiều lần. Trong phương thức này việc đo được thực hiện dưới hình thức một chương trình con lấy từ chương trình cơ bản. Các chương trình con này sẽ xuất hiện tại thời điểm nào đó trong phương thức gọi lại. * phương thức gọi lại: tái hiện lại chương trình con đã tạo trong phương thức học. * phương thức soạn thảo. Có bốn mức sử dụng cho từng trình độ và yêu cầu công việc : - mức 1: dành cho người mới học với các lệnh cho các công việc đơn giản. - mức 2: gồm các lệnh cho công việc sử dụng hàng ngày trong phân xưởng. - mức 3: dành cho những người đã sử dụng thành thạo tất cả các lệnh. - mức 4: bổ sung một số chương trình nhánh và phụ để khai thác nâng cao. Trong cmm thì hệ thống đo, máy tính và phần mềm tạo ra một hệ thống hoàn chỉnh. Mặc dù khả năng của máy đo tọa độ rất phong phú nhưng việc khai thác sử dụng nó lại phụ thuộc vào người sử dụng thông qua việc tạo các chương trình phần mềm cho máy hoạt động. 1.3.5. Quá trình đo trên máy đo tọa độ và nguyên tắc đo. Nghiªn cøu ph-¬ng ph¸p n©ng cao ®é chÝnh x¸c phÐp ®o trªn m¸y ®o to¹ ®é ba chiÒu LuËn v¨n Cao häc Trang 14 Vò V¨n Duy Quá trình đo trên máy đo tọa độ là quá trình đầu đo tiếp xúc trực tiếp với chi tiết đo, đưa ra chỉ thị đo đồng thời ghi chúng vào bộ nhớ nếu cần thiết. Ngoài ra, trong quá trình đo này một loạt các phép xử lý số liệu đo, tính toán các thông số hình học của bề mặt đo, kích thước vị trí tương quan giữa chúng và tính toán sai lệch thử rồi đưa ra kết quả đo. Trong những máy đo tọa độ hiện đại ngày nay, tất cả các quá trình đo đều được thực hiện tự động nhờ hệ thống cơ điện khí và những thiết bị tính toán. Những hệ thống và thiết bị này tạo thành những phân hệ trong hệ điều khiển. Sự có mặt của chúng phụ thuộc vào mức độ tự động của máy đo. Hình 1.6: sơ đồ hệ thống đo 1. Hệ thống đo trên máy đo tọa độ: có nhiệm vụ xác định tọa độ điểm trên bề mặt chi tiết đo bằng bộ đầu dò, ghi và đưa ra tín hiệu chỉ thị vị trí của đầu đo bảo đảm giá trị tọa độ cố định trong từng thời điểm đo. 2. Thiết bị ghép nối máy tính: đây là phần chuyển tiếp giữa hệ đo và bộ phận xử lý với nhiệm vụ đưa dữ liệu đo vào máy tính để tính toán. Nghiªn cøu ph-¬ng ph¸p n©ng cao ®é chÝnh x¸c phÐp ®o trªn m¸y ®o to¹ ®é ba chiÒu LuËn v¨n Cao häc Trang 15 Vò V¨n Duy 3. Máy tính điện tử: tín hiệu từ đầu đo đưa vào máy được lưu trong bộ nhớ của hệ thống chỉ thị đo tọa độ và sau đó được đưa vào thiết bị xử lý để đưa ra kết quả cuối cùng. 4. Bộ nhớ ngoài: lưu giữ các kết quả trong quá trình đo. 5. Màn hình, bàn điều khiển: các chương trình đo được đưa vào bộ phận này để điều khiển máy đo tọa độ đây chính là bộ phận giao tiếp giữa người sử dụng và máy đo. Thông qua bộ phận này mà người sử dụng điều khiển được quá trình đo cũng như tính ra các thông số cần biết. 6. Thiết bị in và thiết bị ghi hình: kết quả đo cùng với sự đánh giá sai lệch được đưa vào phân hệ này. Nếu kết quả ở dạng số liệu thì đưa ra máy in, nếu kết quả dạng biểu đồ thì được đưa ra màn hình. Mọi khả năng vận hành ứng dụng của máy đo tọa độ được đánh giá căn cứ vào những tính năng của hệ thống máy tính. Tuỳ theo yêu cầu mà máy tính có thể là loại chuyên dùng tính toán thiết kế kỹ thuật có bàn phím bộ điều khiển riêng hoặc sử dụng những chương trình tính toán định trước. Ngày nay, hệ thống máy tính đã được tối ưu cả về chất lượng cũng như hình thức với độ tin cậy cao tốc độ xử lý nhanh, đạt hiệu quả cao trong ứng dụng. Khi thực hiện thao tác đo, người ta đưa đầu đo tới các bề mặt chi tiết tại những điểm cần thiết sao cho lực đo không làm biến dạng đầu đo làm cho hệ thống cảm ứng phát sai tín hiệu về máy. Tuy nhiên do đầu đo có dạng hình cầu nên các giá trị tọa độ điểm đo chính là tọa độ tâm đầu đo chứ không phải là điểm chạm thực tế. Như vậy để nhận biết đúng các điểm trên bề mặt chi tiết ta cần phải bù bán kính đầu đo. Việc bù bán kính đầu đo không được thực hiện cho từng điểm riêng biệt mà cho toàn yếu tố nghĩa là các yếu tố đầu tiên được tính cho tâm bi đo và sau đó mới được bù trong quá trình tính toán. Đối với các yếu tố đơn giản ta chỉ cần cộng hay trừ kích thước bị đo còn đối với các yếu tố phức tạp thì giá trị bù tính theo phương vuông góc với chi tiết tại điểm tiếp xúc. Nghiªn cøu ph-¬ng ph¸p n©ng cao ®é chÝnh x¸c phÐp ®o trªn m¸y ®o to¹ ®é ba chiÒu LuËn v¨n Cao häc Trang 16 Vò V¨n Duy Nhận xét: dựa trên cấu tạo của máy đo, chúng ta sẽ tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả phép đo, trên cơ sở đó tìm ra các biện pháp nhằm nâng cao độ chính xác của phép đo của thiết bị. Nghiªn cøu ph-¬ng ph¸p n©ng cao ®é chÝnh x¸c phÐp ®o trªn m¸y ®o to¹ ®é ba chiÒu LuËn v¨n Cao häc Trang 16 Vò V¨n Duy Chương ii Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác phép đo. 2.1 đệm khí. 2.1.1 lý do và tác dụng của việc sử dụng đệm khí trong cmm Ta thấy máy đo tọa độ cmm vi phạm hai nguyên tắc cơ bản trong đo lường là nguyên tắc abbe và nguyên tắc xích kích thước ngắn nhất. Trong đó vi phạm nghiêm trọng nguyên tắc abbe. Nguyên tắc abbe phát biểu như sau : “nếu đường tâm của kích thước đo và đường tâm của kích thước mẫu cùng nằm trên một đường thẳng thì phép đo đạt độ chính xác cao nhất ” Nguyên nhân chính gây ra sai số này là do trong dụng cụ đo luôn luôn có khâu tĩnh gắn với chuẩn đo và khâu động gắn với mặt đo mà trong khâu động bao giờ cũng tồn tại khe hở khớp động. Do đó các dụng cụ đo nên chế tạo tuân theo nguyên tắc abbe sẽ đạt dược độ chính xác cao hơn. Vậy mà trong cmm kích thước mẫu là ba thước kính được đặt trên trên 3 trục x, y, z còn chi tiết được đặt ở bàn đo cách xa kích thước mẫu, do đó hệ thống này đã không tôn trọng nguyên tắc abbe. Tuy nhiên cmm vẫn đạt độ chính xác đo cao - điều đó nghĩa là nó đã khắc phục được sai số abbe. Trong phần này ta phân tích sai số abbe trong máy đo tọa độ và phương pháp hạn chế nó tới mức tối đa và cơ sở lựa chọn kích thước hệ thống phù hợp. Dể phân tích ta xét mô hình tương tự như xe mang đầu đo chạy trên cầu của máy đo tọa độ. Mô hình gồm một thanh mang đầu đo gắn vuông góc với sống trượt. Sống trượt này trượt trong một rãnh trượt có 4 đệm khí hoạt động. Các đệm khí này được bố trí đối xứng và giả định là cùng loại. Trọng lượng của sống dẫn và thanh đo là q coi như đặt ở điểm giữa của sống là o. Các kích thước khác như hình 2.1 Nghiªn cøu ph-¬ng ph¸p n©ng cao ®é chÝnh x¸c phÐp ®o trªn m¸y ®o to¹ ®é ba chiÒu LuËn v¨n Cao häc Vò V¨n Duy Trang 17 Hình 2.1 : sơ đồ tác động lực * khi chưa có lực đẩy để dịch chuyển đầu đo : Gọi lực đẩy của các đệm là n1, n2, n3, n4 nhưng vì lý do đối xứng nên: n1 = n3 = n1 n2 = n4 = n2 Dể cho gọn ta gọi là n1 và n2, khi đó ta có phương trình cân bằng lực : 2(n2 - n1) = q (2.1) * khi xuất hiện lực đẩy pd sẽ làm sống dẫn và thanh nghiêng đi một góc ϕ gây ra biến thiên khe hở ∆z cho tất cả các đệm: ∆z = a. Tgϕ Biến thiên ∆z này gây ra biến thiên lực đẩy là ∆n ở tất cả các đệm. Chúng có cùng ∆n do có cùng biến thiên khe hở ∆z vì có cùng một đường đặc tính làm việc. Do đó lực ở các đệm sẽ là: 1 - n1 + ∆n 2 - n2 + ∆n 3 - n3 + ∆n 4 - n4 + ∆n Ta có phương trình cân bằng mômen với điểm o {[(n1 + ∆n) +( n2 + ∆n)] - [(n2 - ∆n) + (n1 - ∆n)]}a - pd. L = 0 Hay 4∆n.a = pd. L (2.2) (ở đây các lực ma sát đối xứng với o nên tổng mômen với o bằng 0) Chiếu lên phương nằm ngang ta có Pd = fms = [(n1+ ∆n) + (n2 - ∆n) + (n1 - ∆n) + (n2 + ∆n)].fms = 2[n1 + n2] . Fms Muốn đầu đo dịch chuyển thì lực đẩy phải thắng lực ma sát - nghĩa là : pd > 2(n1 + n2) fms = fms.q (2.3) Vấn đề đặt ra là: pd = f.q là lực đẩy cần thiết để hệ bàn trượt dịch chuyển mà pd đặt tại c nên nó làm thanh đo nghiêng đi một góc ϕ. Vào lúc đầu đo chạm bề mặt Nghiªn cøu ph-¬ng ph¸p n©ng cao ®é chÝnh x¸c phÐp ®o trªn m¸y ®o to¹ ®é ba chiÒu