Tài liệu Nghiên cứu sai số động học trên máy cmm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------------------------------------ PHAN VŨ BẢO NGHIÊN CỨU SAI SỐ ĐỘNG HỌC TRÊN MÁY CMM Chuyên ngành : Công Nghệ Chế Tạo Máy LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2008 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học :.......................................................................... (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :................................................................................ (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :................................................................................ (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . . TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . . năm 200. . NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : PHAN VŨ BẢO Phái : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 15-10-1982 Nơi sinh : Quảng Ngãi Chuyên ngành : Công Nghệ Chế Tạo Máy MSHV : 00406049 I- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu sai số động học trên máy CMM II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Phân tích nguyên nhân, bản chất và các ảnh hưởng của sai số động học đến độ chính xác đo của máy CMM. - Xây dựng mô hình tính toán sai số động học. - Xây dựng mô hình vật lý và mô hình toán học để đánh giá các thông số sai số.. - Lập trình tính toán các bài toán riêng lẻ và tính sai số động học tổng cộng tại đầu đo cho máy CMM. III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ................................................................................... IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: .................................................................... V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :PGS.TS Đặng Văn Nghìn CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký) CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua. TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH Ngày tháng năm TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN Xin chân thành gửi lời cảm ơn PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tạo nhiều điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học viên nghiên cứu và hoàn thiện luận văn. Xin được gửi lời cảm ơn đến : - Cô giáo, PSG. TS. Thái Thị Thu Hà đã quan tâm, tận tình giúp đỡ, góp ý, hướng dẫn trong quá trình học tập và thực hiện luận văn. - Quý Thầy Cô thuộc Khoa Cơ Khí – Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã hướng dẫn và truyền thụ kiến thức và kinh nghiệm trong thời gian học tập và thực hiện luận văn. - Quý Thầy Cô thuộc Phòng Đào Tạo Sau Đại Học – Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã quan tâm và giúp đỡ trong quá trình học tập và thực hiện luận văn. - Các bạn lớp Cao Học CKCTM K2006 đã góp ý, giúp đỡ trong quá trình học tập. Do thời gian hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, học viên mong nhận được sự góp ý quý giá của các Thầy Cô để học viên có thể hoàn thiện trong quá trình nghiên cứu sau này. TÓM TẮT Mô hình sai số động học được Weekers [2] sử dụng kết hợp với phương pháp thực nghiệm trên loại máy Gantry CMM đã cho một kết quả đáng tin cậy và được dùng khá nhiều trên các máy CMM trong thực tế. Ở đây, mô hình sai số động học được dùng để đánh giá sai số động học trên loại máy CMM dạng cầu kết hợp với phương pháp phân tích lý thuyết. Các thông số đầu vào của mô hình sai số động học chính là các sai số xuất hiện tại mỗi khớp chuyển động theo các bậc tự do tương ứng. Bằng phương pháp phân tích, mô hình, các thông số đầu vào được xây dựng và đánh giá thông qua biến dạng và rung động của các chi tiết liên quan tương ứng. Kết quả, một hệ thống các mô hình và các hệ phương trình vi phân dao động tương ứng được xây dựng nhờ các phương pháp mô hình trong cơ học và phương pháp phần tử hữu hạn. Giải các bài toán dao động tương ứng đã được mô hình với sự trợ giúp của phần mềm Matlab sẽ thu được các dao động tương ứng của các chi tiết máy quan trọng. Tổng hợp các dao động tương ứng để thu được các thông số sai số động học trong mô hình sai số động học. Cuối cùng, tính sai số động học tại đầu đo của máy ứng với các thông số sai số động học đã được xác định. Qua đó, đưa một số nhận xét để giảm anh hưởng của sai số động học đến độ chính xác của CMM. ABSTRACT With kinematic error modelling combine analytical/empirical approach using additional sensor, Weekers [2] was assessed and compensated the dynamics error for Gantry CMM successfully. This thesis presents an application of kinematic error modelling for estimating dynamic error for bridge-CMM combine analytical method only. With this model the degrees of freedom of CMM are defined. Dynamic error in the structural loop of the CMM have to be expressed in these degrees of freedom, which allows the calculation of their effects on the probe position. The input of this model is called dynamic parameter errors which collect the dynamic deformations from continous components in structural loop. Analysing the dynamic behavior of the CMM in order to identify the significant deformations. Modeling the significant ones with vibration models correlatively. Using the Lagrange’s equation and the Finite Element Method to make sets of second order differential equations of vibration. The mentioned equations are solved with supportting of Matlab software. And the results of vibration and deformation are expressed into the parameter errors. These are the errors in the degrees of freedom the kinematic model. The model is used for calculation of the error propagation to the probe position. The calculated error values at probe position during a certain measurement task are used for compensation of measurement result. MỤC LỤC Trang Giới thiệu ...............................................................................................................01 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU.......................................02 1.1 Tổng quan về CMM .........................................................................................02 1.1.1 Giới thiệu về CMM.....................................................................................03 1.1.2 Xu thế phát triển của CMM liên quan đến vấn đề nghiên cứu .....................04 1.1.3 Các nguyên nhân gây ra sai sô trên CMM...................................................05 1.2 Thực trạng và tình hình nghiên cứu về CMM ...................................................08 1.3 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài.......................................................11 1.4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ..............................................11 Chương II: PHÂN TÍCH VÀ MÔ HÌNH BÀI TOÁN SAI SỐ ĐỘNG HỌC......13 2.1 Đặc điểm về kết cấu của CMM.........................................................................13 2.2 Sai số của CMM và sai số động học..................................................................17 2.2.1 Sai số trên CMM.........................................................................................17 2.2.2 Sai số động học trên CMM .........................................................................19 2.2.2.1 Bản chất và nguyên nhân gây ra sai số động học ...................................19 2.2.2.2 Các phương pháp để giảm sai số động học............................................21 2.2.2.3 Phương pháp đánh giá sai số động học trong đề tài ...............................22 a. Các nghiên cứu trước đây...........................................................................22 b. Phương án giải quyết trong đề tài...............................................................24 2.3 Mô hình sai số động học trên CMM dạng cầu(moving-bridge CMM)...............25 2.3.1 Cở sở và quy ước của mô hình....................................................................25 2.3.2 Xây dựng mô hình ......................................................................................26 2.4 Mô hình tính toán để xác định các thông số sai số động học .............................30 2.4.1 Phương pháp giải quyết ..............................................................................30 2.4.2 Mô hình vật lý và các thông số quy đổi.......................................................34 2.4.2.1 Tại khớp trục Y....................................................................................34 2.4.2.2 Tại khớp trục X....................................................................................37 2.4.2.3 Tại khớp trục Z....................................................................................40 Chương III: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH TOÁN ..................................42 3.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn ứng dụng trong bài toán động lực học ...................................................................................................42 3.1.1 Các phương trình động lục học kết cấu .......................................................42 3.1.2 Ma trận khối lượng tương thích và ma trận khối lượng tập trung.................45 3.1.3 Các ma trận độ cứng của phương trình dao động ........................................47 3.2 Mô hình toán học..............................................................................................48 3.2.1 Cách xây dựng các phương trình dao động..................................................49 3.2.1.1 Đối với các dạng bài toán có phần tử dầm hai nút, bốn bậc tự do ..........49 3.2.1.2 Đối với bài toán dạng khung, mỗi phần tử dầm có hai nút và có 3 bậc tự do ...............................................................................................................51 3.2.1.3 Đối với phần tử dầm không gian ...........................................................52 3.2.2 Các mô hình toán học để xác định các thông số sai số động học .................54 3.2.2.1 Tạị khớp trục Z .....................................................................................54 3.2.2.2 Tại khớp trục X.....................................................................................55 a. Trong mặt phẳng OxXY .............................................................................55 b. Trong mặt phẳng OxXZ..............................................................................56 c. Trong mặt phẳng OxYZ..............................................................................57 3.2.2.3 Tại khớp trục Y.....................................................................................58 Chương IV: GIẢI BÀI TOÁN SAI SỐ ĐỘNG HỌC ...........................................61 4.1 Các giả thuyết đưa ra để giải bài toán sai số đông học ......................................61 4.2 Giải các bài toán dao động................................................................................63 4.2.1 Giải cho trục X ...........................................................................................64 4.2.1.1 Trong mặt phẳng OxXY ........................................................................64 4.2.1.2 Trong mặt phẳng OxXZ.........................................................................68 4.2.1.3 Trong mặt phẳng OxYZ.........................................................................71 4.2.2 Giải cho trục Z:...........................................................................................72 4.2.2.1 Trong mặt phẳng OzXZ.........................................................................72 4.2.2.2 Trong mặt phẳng OzYZ.........................................................................75 4.2.3 Giải cho trục Y: ..........................................................................................78 4.2.3.1 Trong mặt phẳng OYYZ ............................................................................ 4.2.3.2 Trong mặt phẳng OYXY và ...................................................................... 4.3 Tính các thông số sai số động học của máy CMM ............................................81 4.3.1 Các thông số tại khớp trục Z .......................................................................81 4.3.2 Các thông số tại khớp trục X.......................................................................81 4.3.3 Các thông số tại khớp trục Y.......................................................................82 4.4 Sai số động học tổng cộng tại đầu đo ................................................................82 KẾT LUẬN............................................................................................................84 KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ..............................................85 Phụ lục Phụ lục 1: Môt số đặc điểm kết cấu và các kết cấu quan trọng của CMM ...............86 Phụ lục 2: Chương trình Matlab và hàm .................................................................96 Tài liệu tham khảo...................................................................................................... LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ và tên: Phan Vũ Bảo Ngày tháng năm sinh: 15-10-1982 Địa chỉ liên lạc: Nơi sinh: Quảng Ngãi 74/1/1-Bạch Đằng-Phường 2-Quận Tân Bình- TP Hồ Chí Minh Quá trình đào tạo: - Từ tháng 09/2000 đến 06/2005, học ngành Cơ Khí Chế Tạo Máy - Khoa Cơ Khí – Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Đà Nẵng. - Từ tháng 09/2006 đến nay, học cao học ngành Công Nghệ Chế Tạo Máy – Khoa Cơ Khí – Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh. Quá trình công tác: - Từ tháng 07/2005 đến 05/2006, làm việc tại Công Ty Nissei Electric Vietnam. - Từ 05/2007 đến nay, làm việc tại Công ty Kỹ Thuật Hàng Không Miền Nam (SATC) – Cụm Cảng Hàng Không Miền Nam. 1 GIỚI THIỆU Với sự phát triển của nền sản xuất hiện đại, độ chính xác trong gia công cơ khí và các nhu cầu hỗ trợ để sản xuất nhanh, sản lượng lớn thì nhu cầu về việc sử dụng máy đo tọa độ CMM (Coordinate Measuring Machines) ngày càng lớn. CMM được dùng để xác định độ chính xác của sản phẩm hoặc có thể sử dụng để dùng cho công nghệ thiết kế ngược. Chính vì vậy, việc sử dụng CMM đã được sử dụng rất phổ biến trên thế giới hơn 50 năm qua. Hiện nay, hàng năm thế giới sản xuất khoảng 6000 máy CMM với các chủng loại và kết cấu khác nhau. Ở nước ta thì CMM thật sự khá mới và nhu cầu sử dụng CMM thì ngày một tăng trong bước đường công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước. Do vậy, việc đầu tư nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và sử dụng CMM là một đòi hỏi cần thiết trong tình hình hiện nay ở nước ta. Sai số tổng thể của máy CMM được phân loại theo nhiều yếu tố ảnh hưởng như: sai số do nhiệt, sai số hình học, sai số động học,…Và mỗi yếu tố sẽ có các ảnh hưởng khác nhau đến sai số của máy. Tuy nhiên, nhu cầu hiện của sản xuất nhanh và sản lượng lớn đòi hỏi CMM phải có tốc độ đo nhanh và chính xác. Thế nhưng, khi tốc độ của CMM càng tăng thì độ chính xác theo đó bị hạn chế mà chủ yếu là do quá trình làm biến dạng các chi tiết trong hệ thống kèm theo sự rung động. Do đó, cần phải đánh giá đúng các sai số gây ra do ảnh hưởng của việc tăng khả năng động học này để có biện pháp hạn chế là rất cần thiết để đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng tăng của máy CMM. Trong nội dung luận văn sẽ trình bày phương pháp để đánh giá các sai số động học này theo quan điểm lý thuyết. Và thực hiện việc tính toán sai số động học theo một mô hình máy CMM về mặt nguyên lý với việc áp dụng phần mềm Matlab để hổ trợ. Theo đó, đề xuất các phương án để bồi thường các sai số này nhằm tăng khả năng kỹ thuật cho máy CMM. Với đề tài “Nghiên cứu sai số động học của máy CMM” sẽ trình bày các vấn đề liên quan đến đặc tính động học của CMM. GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: PHAN VŨ BẢO 2 Chương I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về CMM: Máy CMM (Coordinate Measuring Machine) đầu tiên được ra đời tại công ty DEA (Digital Electronic Automation Spa), Italia, vào cuối thập kỷ 1950, với kết cấu kiểu cổng (Portal Frame) và đầu dò cứng. Sau đó vài tháng, tại Scotland, công ty Ferranti cũng cho ra đời máy CMM dạng chìa đỡ (cantilever CMM) với đầu dò cố định, đo bằng tay với công nghệ Renishaw. Đây cũng là những bước khởi đầu cho sự phát triển của máy đo tọa độ chính xác sau này. Trong suốt thập niên 1960 và 1970, máy tọa độ của Ferranti (về sau là Intemational Metrology Systems hay IMS) đã thật sự chiếm lĩnh thị trường Mỹ và thế giới với dòng sản phẩm Cordax CMM, với nhà cung cấp Bendix. Và sau đó được biết đến với công ty Sheffield. Các dòng sản phẩm của IMS là: Impact CMM, Merlin CMM, Umpire CMM và dòng LK CMM (G80 CMM, G90 CMN, G80C CMM, G90C CMM) sử dụng phần mềm LK DMIS (Dimensional Measurement Interface Standard) hay Cameo CMM. Ngoài ra, còn có các nhà sản xuất CMM khác của Anh như: W & A Metrology, Status Metrology, Eley & Warren, LK Tool, Notsa, Vickers Maxicheck, Kemco, Disc GB. Tháng 10 năm 1965, DEA đã cho ra đời máy đo tọa độ 3 chiều bằng tay. Đến 1973 đã hoàn thiện máy hoàn toàn tự động. DEA là công ty rất nổi tiếng với các máy CMM với kết cấu giàn (Gantry). Có thể tìm thấy các sản phẩm của DEA trên khắp thế giới với các dòng máy như: DEA Omicron CMM, DEA IOTA CMM, DEA Epsilon CMM, DEA Beta CMM, DEA Delta CMM, DEA Gamma CMM, DEA Swift CMM, DEA Omega CMM, DEA Bravo CMM và DEA Lambda CMM. Ngoài ra, Italia còn có các công ty chế tạo CMM khác như: Poli, Coord3, và Prima. Năm 1968, Mitutoyo (Nhật) đã đã sản xuất ra máy đo 2D và sau đó đã phát triển thành máy 3D. Đến năm 1980, giới thiệu máy CMM có khả năng giao tiếp với máy tính. Mitutoyo là công ty sản xuất thiết bị đo lường lớn nhất thế giới. Ngoài ra, GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: PHAN VŨ BẢO 3 Nhật còn có các công ty như: Tokyo Semitsu (sử dụng công nghệ của Ferranti) và Tokyo Boeki (chủ yếu Arm CMM’s). Năm 1982, Carl Zeiss của Đức đã giới thiệu máy CMM ZMC 550 có khả năng đo và chuyển đổi trong sản xuất. 1985 Carl Zeiss và Shefield đã cho ra đời máy CMM với phiên bản phần mềm, ở đây được gọi là kỹ thuật vi xử lý chính xác. Năm 1989 công nghệ CARAT (Coated Aging Regisistant Aluminium Technology) của Đức do Carl Zeiss đưa ra được dùng trên máy Zeiss-UPMC 850 giúp máy ổn định với sự thay đổi của nhiệt độ. Brown & Sharpe (BNS) được xem là công ty sản xuất CMM lớn nhất hiện nay. Ngoài ra, ở mỗi quốc gia phát triển có rất nhiều công ty sản xuất CMM như: Helmel, Taurus, Elm Systems, Resource Engineering, Starrett (USA); Dukin CMM Company (Korea); công ty C.E. Johansson (Sweden); Leitz Metrology, Zeiss CMM, Wenzel, Mora, and Steifflmeyer (Germany),… 1.1.1. Giới thiệu về máy CMM Một máy CMM thông thường có các cụm bộ phận như hình 1.1 sau: Hình 1.1: Sơ đồ khối của máy CMM dạng cầu(bridge) GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: PHAN VŨ BẢO 4 Khi nghiên cứu về cấu trúc máy thì ta phân loại máy có 4 bộ phận chính sau:  Kết cấu thân máy  Bộ điều khiển  Phần mềm đo của máy  Đầu đo của máy Sẽ có nhiều cách phân loại khác nhau theo các bộ phận chức năng trên đây. Nhìn chung, CMM gồm có bàn máy thường được làm bằng vật liệu Granite, trên đó sẽ đặt chi tiết cần đo. Mỗi trục của CMM bao gồm có một bộ phận dẫn hướng (guideway), bộ phận chuyển động(carriage) sẽ chuyển động dọc theo guideway và hệ thống đo. Ở các máy CMM hiện đại thì chuyển động sẽ chính xác hơn nhờ hệ thống ổ đệm khí. Vị trí của các carriage trên guideway sẽ được xác định chính xác nhờ thước đo thẳng (linear scale) lắp trên guideway có độ chính xác rất cao. Kết quả đọc được trên ba thước đo này sẽ thể hiện kích thước 3D cho máy. Máy CMM khi phân loại theo cách điều khiển thì sẽ có 3 loại sau: loại điều khiển bằng tay (manual control), điều khiển bằng cần gạt (joytick) và điều khiển theo CNC (Computer Numerical Controlled). Loại điều khiển bằng tay vẫn được sử dụng rộng rãi vì lý do kinh tế, sự tiện lợi, mặc dù nó có độ chính xác thấp. Loại cần gạt thì các trục được điều khiển bằng servo và các lệnh cho chuyển động do người vận hành thực hiện nhờ cần gạt. Loại CMM điều khiển bằng CNC, chuyển động của các trục được điều khiển tự động bằng servo và computer cung cấp các lệnh chuyển động. Phương pháp điều khiển bằng CNC có độ chính xác cao và ổn định nhất. 1.1.2. Xu thế phát triển của CMM liên quan đến vấn đề nghiên cứu Khi xét về tính năng của máy thì có ba tiêu chí quan trọng nhất là: độ chính xác, tốc độ và tính linh hoạt. Một máy có tính năng kỹ thuật mong muốn nhất là độ chính xác và tốc độ cao, có khả năng làm việc với điều kiện môi trường không thuận lợi. Các nghiên cứu về máy CMM trong quá khứ (trước 1996) chủ yếu chỉ hướng vào độ chính xác của máy ở trạng thái tĩnh tương đối, mà ít quan tâm đến các sai số khi tính đến đặc tính động học của máy. Tuy nhiên, một vài xu hướng trong GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: PHAN VŨ BẢO 5 thực tế liên quan đến nhu cầu sử dụng của CMM mà việc nghiên cứu sai số liên quan đến đặc tính động học của máy là điều cần thiết và tất yếu. Các xu thế này là: - Tăng khả năng đo với nhiều nhiệm vụ đo khác nhau. Tức là máy có khả năng thực hiện càng nhiều các nhiệm vụ đo khác nhau và thực hiện được các nhiệm vụ đo càng phức tạp càng tốt. Khi đó máy sẽ có khả năng đo được các bề mặt, biên dạng phức tạp hơn và thực hiện được nhiều thao tác đo khác nhau trên một chi tiết cần đo. - Có khả năng thích ứng với môi trường công nghiệp. Lúc đầu, các máy CMM được thiết kế và sử dụng chủ yếu trong môi trường phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, nhu cầu sử dụng máy CMM gần với môi trường sản xuất hay tích hợp nó vào một dây chuyền sản xuất ngày càng tăng. Và theo đó, điều kiện làm việc của môi trường (rung động, nhiệt độ,…) sẽ làm giảm độ chính xác của CMM. Do đó, nhu cầu đặt ra là phải duy trì được độ chính xác cao của CMM dưới ảnh hưởng của điều kiện môi trường không tốt. - Thời gian xử lý ngắn. Thông thường, để đạt được độ chính xác đo cao thì tốc độ chạm của đầu đo phải thấp. Trong phòng thí nghiệm thì vấn đề này có thể chấp nhận được. Thế nhưng, trong môi trường sản xuất thì điều này sẽ không thể chấp nhận được vì lý do kinh tế. Do đó, thời gian đo ngắn gắn liền với tốc độ đo phải nhanh là điều quan trọng cần phải đạt được. Khi tăng tốc độ thì theo đó ảnh hưởng của động học là không thể bỏ qua để duy trì độ chính xác cao so với trong phòng thí nghiệm. - Độ tin cậy của kết quả đo. Xu hướng này đòi hỏi máy sản xuất ra phải kiểm soát được độ chính xác đo và độ tin cậy của kết quả đo này. Để tính toán độ chính xác có thể theo dõi được này và độ tin cậy của kết quả đo thì đòi hỏi các kiến thức về hệ thống và sai số ngẫu nhiên ảnh hưởng đến độ chính xác đo và phương pháp để tính ảnh hưởng của chúng. Từ các xu hướng thấy rằng, sai số liên quan đến đặc tính động học là một vấn đề quan trọng mà cần phải nghiên cứu để tăng tính năng kỹ thuật cho máy CMM. GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: PHAN VŨ BẢO 6 1.1.3. Các nguyên nhân gây ra sai số trên CMM Khi nghiên cứu về sai số của CMM tùy theo mục đích đạt được mà có các chiến lược khác nhau trong cách phân loại các sai số cho phù hợp với mục đích nghiên cứu cụ thể. Chẳng hạn, khi nghiên cứu sai số của máy với toàn bộ các yếu tố ảnh hưởng theo các thành phần chức năng của máy thì các nguyên nhân gây ra sai số của máy CMM có thể được xem như xuất phát từ các nguồn sau: Hệ thống cơ học: các thành phần chính của cấu trúc máy CMM như bàn máy để đỡ chi tiết đo, bộ phận dẫn hướng (guideways), các bộ phận chuyển động (carriages) trên hệ thống ổ đệm khí. Các bộ phận này sẽ gây ra các sai số cho máy do độ không chính xác trong chế tạo, hiệu chỉnh và các đặc tính của chi tiết (như: độ cứng, sự giãn nở do nhiệt, khả năng giảm chấn). Hệ thống dẫn động: một trục của CMM thường bao gồm bộ phận dẫn động, truyền động và động cơ servo. Các sai số do hệ thống dẫn động gây sai số cho máy có thể là do tốc độ không chính xác, không phải hằng số, hay các tải trọng cơ gây ra các chuyển động không mong muốn trên các carriage, hay do sự rung động của cấu trúc cơ học trong máy. Thông thường sai số vị trí không quan trọng lắm, vì tọa độ của điểm đo được thể hiện trên thang đo chứ không phải vị trí mà ta ra lệnh trước. Hệ thống đo: tọa độ của các điểm đo được được thể hiện từ các thước đo thẳng (linear scale) trên các trục của máy CMM. Thông thường các sai số gây ra do thước đo là do độ không chính xác của bước thang đo, độ lệch và sai số hiệu chỉnh trên thiết bị đọc, sai số nội suy, sai số trong việc số hóa tín hiệu. Ngoài ra, khi sử dụng đầu đo thì cũng xuất hiện các sai số do sự trễ pha khi xét đến bộ phận đỡ (stylus support), sự uốn của thanh đỡ (stylus) và sai số của hệ thống đo trên nó. Các sai số của tín hiệu điện cũng khá quan trọng mà chủ yếu là do sự sai lệch về pha. Hệ thống máy tính: hệ thống máy tính ở đây gồm phần cứng và phần mềm. Nhưng ta chỉ xét đến phần mềm. Nhiệm vụ quan trọng của phần mềm là thực hiện việc tính toán để chuyển đổi các điểm đo được sang tọa độ chi tiết và để hình thành kích thước và hình dáng của chi tiết yêu cầu đo. Các sai số sẽ rất nghiêm trọng nếu GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: PHAN VŨ BẢO 7 dùng sai thuật toán tính toán hoặc không phù hợp và ảnh hưởng đến kết quả đo cuối cùng của CMM. Bên cạnh các nguyên nhân gây ra sai số ở trên, độ chính xác của CMM còn chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như vận hành hay môi trường sử dụng của CMM. Các yếu tố vận hành như: chiến lược đo, cách tháo dỡ chi tiết. Các yếu tố môi trường cũng rất quan trọng như: nhiệt độ môi trường và sự rung động. Nhiệt độ môi trường sẽ gây biến dạng hình học của các chi tiết trong cấu trúc máy theo đó sẽ gây ra sai số cho máy. Nếu máy đặt trong môi trường rung động lớn thì rung động này sẽ truyền qua các bộ phận của máy, do đó sẽ gây ra các sai số cho máy. Với mục đích tăng đặc tính kỹ thuật cho máy để đáp ứng các xu hướng đã nêu ở trên thì ta cần phân loại sai số theo các trạng thái tĩnh tương đối và trạng thái động. Ở trạng tĩnh tương đối, các sai số được xét ở trạng thái máy đứng yên hoặc máy làm việc với tốc độ rất chậm và sai số gây ra ở trạng thái này thay đổi rất chậm theo thời gian và được xem như sai số hệ thống mà trên lý thuyết ta có thể khử nó được một cách hoàn toàn. Sai số ở động tức là sai số xét đến khi máy thực hiện một nhiệm vụ đo lường đã được lập trình với một tốc độ đo nào đó. Khi tốc độ càng cao thì độ chính xác đo sẽ giảm. Nhìn chung, cả hai loại sai số trên có một đặc điểm chung là đều gây sai số về mặt không gian giữa đầu đo và chi tiết đo và gây sai số về mặt hình học tương ứng với từng điều kiện làm việc của nó. Khi xem xét độ chính xác cơ học của máy nhiều trục cũng như CMM có ba nguyên nhân gây sai số ở trạng thái tĩnh tương đối như sau: o Sai số hình học: do độ chính xác giới hạn của các chi tiết máy như guideway, hệ thống đo và độ chính xác chế tạo của các chi tiết này, cũng như sự hiệu chỉnh trong quá trình lắp đặt và bảo trì. Sai số hình học của guideway là sai số do độ thẳng, sai số góc và sai số theo độ vuông góc với các guideway khác. o Sai số do tải trọng cơ: các sai số này là do các lực tĩnh hay các lực thay đổi chậm theo thời gian. Sự thay đổi của tải trọng cơ chủ yếu là do trọng lượng của các chi tiết chuyển động và sẽ gây thay đổi hình GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: PHAN VŨ BẢO 8 dạng danh nghĩa của các chi tiết máy và gây sai số hình học như diễn tả ở trên. Các sai số này phụ thuộc vào độ cứng, trọng lượng và hình dạng của máy. o Sai số do nhiệt: có hai loại sai số sinh ra do nhiệt. Thứ nhất, là sai số do nhiệt độ khác nhau giữa thang đo và chi tiết đo. Thứ hai, là do độ chênh lệch nhiệt độ sinh ra trong các chi tiết máy gây các biến dạng uốn của hệ thống dẫn hướng và theo đó gây sai số hình học. Các sai số liên quan đến đặc tính động học sẽ thay đổi nhanh theo thời gian, như sự biến dạng của các chi tiết phụ thuộc vào gia tốc theo sự chuyển động và rung động (cả dao động tự do lẫn cưỡng bức). Các sai số này phụ thuộc vào đặc tính cấu trúc CMM như sự phân bố khối lượng, độ cứng các chi tiết, khả năng giảm chấn. Để đơn giản ta gọi sai số động học để chỉ các sai số này. 1.2. Thực trạng và tình hình nghiên cứu về CMM Khi nghiên cứu về CMM, hầu hết các nhà nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu CMM trên cơ sở độ chính xác. Theo đó, các nguyên nhân gây ra sai số phải được khảo sát một cách chính xác và độc lập, nhằm đưa ra những biện pháp thiết thực để khắc phục, tăng cường độ chính xác và các đặc tính khác theo nhu cầu sử dụng. Như đã trình bày các nguyên nhân gây ra sai số ở trên, các nghiên cứu trước đây cũng tập trung vào việc đánh giá, giảm và kiểm soát được các sai số trên một cách tốt nhất. Chẳng hạn, khi nghiên cứu về sai số do tải trọng, mà chủ yếu là do trọng lượng của kết cấu máy gây ra ở trạng thái gần như tĩnh. Theo đó, các biến dạng do tải trọng này sinh ra trên kết cấu máy đã được nghiên cứu kỹ, và các máy CMM trong quá khứ mà chủ yếu chỉ thích hợp trong điều kiện phòng thí nghiệm đã được nghiên cứu rất kỹ. Và phương pháp để xác định sai số gây ra do nguyên nhân động học sẽ được xác định trong giai đoạn thiết kế kết cấu máy. Vì khi đó, các thông số hình học, vật liệu sử dụng và đặc điểm kết cấu sẽ quyết định sai số này. Sai số này được xem như một sai số hệ thống và có thể khử nó. Các sai số hình học gây ra do độ không chính xác trong chế tạo, lắp ráp, điều chỉnh máy có thể được tách riêng ra với sai số hình học (biến dạng) gây ra bởi sai số GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: PHAN VŨ BẢO 9 động học bằng cách đo các thông số sai số khi máy làm việc ở trạng thái mà sai số động học ảnh hưởng không đáng kể (vận tốc đo <8mm/s). Và các sai số hình học này cũng được xem như những sai số hệ thống và có thể khử nó . Việc hiểu và đánh giá các sai số trên vẫn chưa đủ. Bồi thường sai số và tăng cường tính năng cho máy mới là mục tiêu của các nghiên cứu. Qua quá trình phát triển của CMM thấy rằng, bồi thường sai số bằng phần mềm là một phương án mang tính cách mạng trong thiết kế chế tạo CMM nói riêng và máy chính xác nói chung. Khi đó, các sai số xuất hiện trên máy sẽ được chấp nhận ở một giới hạn nào đó và kiểm soát được. Các sai số này sẽ được bồi thường trong quá bằng phương pháp xử lý toán học hay trong điều khiển. Độ chính xác đo của máy CMM một phần sẽ phụ thuộc vào đặc tính động học của CMM và một số các yếu tố khác như sau: - Tốc độ chạy nhanh và tốc độ đo, tăng tốc/ giảm tốc, khoảng cách tiếp cận. - Thời gian thay đổi đầu dò, tốc độ góc của bàn xoay. - Thời gian tính toán và lưu trữ dữ liệu, xuất kết quả đo. - Xử lý và chiến lược đo. Ở đây, biết rằng các loại đầu đo khác nhau sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác, thời gian đo của kết quả đo. Luận văn không quan tâm nhiều về vấn đề này mà sẽ khảo sát ứng xử động học của cấu trúc máy CMM đến thời gian đo cho một nhiệm vụ đo nào đó. Việc giảm thời gian đo sẽ kèm theo sự ảnh hưởng của sai số động học đến kết quả đo sẽ lớn và có thể làm giảm độ chính xác đo đến mức không chấp nhận được. Để dễ hình dung vấn đề, xét biểu đồ thay đổi về gia tốc, vận tốc và vị trí của đầu dò trong một chuyển động đo như hình 1.2 sau (trích từ tài liệu tham khảo [2] của Weekers): GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: PHAN VŨ BẢO 10 Hình 1.2: Một chuyển động thực tế (trên: gia tốc, giữa: vận tốc, dưới: sai số tương ứng)(số liệu tham khảo từ [2]) Từ đặc tính động học trên thấy rằng, sự thay đổi vận tốc, gia tốc trong một lần lấy một điểm là rất lớn. Sự thay đổi này gây ra một quán tính và rung động mạnh đến kết cấu máy. Cần phải hiểu rõ và kiểm soát được các ảnh hưởng này. Chẳng hạn, trong các dòng máy hiện đại của hãng Mitutoyo các máy có thể đạt tốc độ chạy nhanh đến 540mm/s và vận tốc đo (vận tốc chạm lấy điểm) hơn 30mm/s. Khi đó, GVHD: PGS. TS ĐẶNG VĂN NGHÌN HVTH: PHAN VŨ BẢO