Tài liệu Nghiên cứu thiết kế máy đo tọa độ ba chiều cmm

1 Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------- VÕ VĂN CƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY ĐO TỌA ĐỘ BA CHIỀU CMM Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2008 2 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 : PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Cán bộ chấm nhận xét 1 : ……………………………………................................. ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………. Cán bộ chấm nhận xét 2 : ……………………………………................................. ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… 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 2008. 3 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC Tp.HCM, ngày 21 tháng 01 năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : VÕ VĂN CƯƠNG Phái : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 29/04/1981 Nơi sinh : Ninh Thuận Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy MSHV : 00406054 I- TÊN ĐỀ TÀI : Nghiên cứu thiết kế máy đo tọa độ ba chiều CMM . II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Trình bày tổng quan máy đo tọa độ ba chiều CMM. - Nghiên cứu, và đưa giải pháp giảm các sai số cho máy CMM. - Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cơ cho máy CMM. - Nghiên cứu, thiết kế hệ thống dẫn động cho máy CMM. - Nghiên cứu, thiết kế hệ thống ổ đệm khí cho máy CMM. - Nghiên cứu, thiết lập thông số dao động cho hệ thống dẫn động của máy CMM. III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ngày 21 tháng 01 năm 2008 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : ngày 30 tháng 06 năm 2008 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS. THÁI THỊ THU HÀ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên môn thông qua . Ngày 30 tháng 06 năm 2008 TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH 4 LỜI CÁM ƠN Trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Thái Thị Thu Hà đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn. Xin chân thành cám ơn các Thầy Cô Phòng đào tạo sau đại học, các Thầy Cô trong Bộ môn Chế tạo máy, Khoa Cơ khí, đã truyền đạt kiến thức cũng như kinh nghiệm nghiên cứu khoa học và tạo mọi điều kiện giúp đỡ em hoàn thành tốt luận văn này . Xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp, anh chị em trong gia đình đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, hỗ trợ, động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn đúng tiến độ và đạt yêu cầu mục tiêu đã đề ra. Tp.HCM, ngày 30 tháng 06 năm 2008 Học viên Võ Văn Cương 5 Tóm tắt luận văn Máy đo tọa độ (CMM) là một máy đo có độ chính xác rất cao và khả năng linh hoạt cao. Hiện nay, máy đo tọa độ CMM đã trở thành một bộ phận không thể thiếu trong hệ thống kiểm soát chất lượng trong nghành công nghiệp. Công việc nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu thực tiễn sản xuất. Tham khảo các tài liệu nước ngoài và trong nước để tìm hiểu máy đo tọa độ độ ba chiều. Cụ thể luận văn có các chương như sau: Chương 1: tìm hiểu về vai trò, tình hình sản xuất và nghiên cứu máy CMM trong nước và ngoài nước. Chương 2: nghiên cứu các sai số và nguồn gốc gây ra các sai số cho máy CMM. Để từ đó đưa ra giải pháp giảm các sai số gây ra cho máy CMM. Đồng thời đưa ra phương án chọn dạng máy CMM để thiết kế. Chương 3 thực hiện thiết kế hệ thống cơ cho máy CMM dạng cầu, đồng thời thiết kế hệ thống ổ đệm khí và hệ thống dẫn động cho máy CMM dạng cầu di chuyển. Chương 4: thiết lập mối quan hệ giữa vị trí của cầu và vận tốc góc của động cơ DC servo theo các thông số vật lý của hệ thống cơ. Kết quả là luận văn nghiên cứu thiết kế hệ thống cơ của máy CMM và thiết kế hệ thống cơ cho máy đo tọa độ ba chiều CMM dạng cầu di chuyển. 6 SUMMARY Coordinate machine measuring (CMM) is a high precision measuring equipment and perform measure flexible. Today, CMM is become an important part in products quality control system in the industrial. The research derives from needs of practical production. Reference from foreign and Viet Nam documents to research three dimentions coordinate measuring machine. Following contents has been carried in the dissertation Chapter 1: searching the role of CMM, history of development and researchs related to CMM in Viet Nam and the world. Chapter 2: researching errors of CMM and sources of errors of CMM. Hence, suggesting principles and techniques of design to reduce or avoid this errors. Chapter 3: designing the mechanical system, air bearing system and drive mechanism for Moving bridge CMM. Chapter 4: setting relation between input variable ( argular velocity of DC servo motors) and output variable (bridge position) depend on physical parameters of the drive mechanism. The result of research in the dissertation is: designing the mechanical system of Moving bridge CMM, air bearing and drive mechanism. 7 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY ĐO TỌA ĐỘ 3 CHIỀU CMM Trang Nội dung CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 8 CHƯƠNG 2 . PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 19 2.1. Khái niệm và phân lọai máy đo tọa độ. 19 2.2. Những yếu tố cần xem xét trước khi thiết kế máy CMM. 29 2.3. So sánh và lựa chọn dạng máy thiết kế. 31 2.4. Các loại sai số và nguyên nhân gây ra các sai số trong máy CMM. 33 2.5. Các phương pháp giảm sai số. CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ CHO MÁY CMM. 37 39 3.1 Thiết kế sơ bộ cấu trúc máy CMM. 39 3.2 Thiết kế hệ thống bộ đệm khí cho trục X,Y và Z. 51 3.3 Thiết kế hệ thống truyền động trục X,Y và Z. 51 CHƯƠNG 4. TÍNH ĐỘ RUNG ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG. 65 4.1. Giới thiệu. 65 4.2. Mô hình hệ thống dẫn động bằng phương pháp biểu đồ xương. 67 4.3. Mô hình hệ truyền động trục Y bằng phương pháp biểu đồ xương. 71 4.3.1 Mô hình vật lý của hệ thống dẫn động trục OY. KẾT LUẬN 71 82 1. Những vấn đề đạt được. 82 2. Hướng phát triển trong tương lai. 82 PHỤ LỤC 1 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LUẬN VĂN. Ngày nay, đo lường đóng một vai trò quan trọng trong nền công nghiệp cơ khí và điện tử nhằm tăng năng xuất theo Bosch [1], thúc đẩy tự động hóa quá trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm. Với sự cạnh tranh ngày càng khốc liệt của thị trường sản xuất (đặc biệt là lĩnh vực sản xuất sản phẩm cơ khí). Cùng với sự phát triển của công nghệ gia công cơ khí và sự ra đời của hệ thống sản xuất CAD/CAM đã yêu cầu những thiết bị đo phải có độ chính xác cao, nhanh và có khả năng đo tọa độ hình dáng bề mặt của mẫu. Từ những nhu cầu thực tế đó, máy Đo Tọa Độ 3 Chiều (Coordinate Measuring Machines-CMM) đã ra đời với những tính năng vượt trội so với những thiết bị đo thông thường (độ chính xác cao có thể lên đến µm hay nhỏ hơn và mức độ linh hoạt cao và có thể đo tọa độ của các mẫu 3D…). Công nghệ Nano và Vi gia công (micro machining)…, quá trình gia công cơ khí đã được nâng lên tầm cao mới như độ chính xác, năng suất và các chi tiết rất nhỏ và cần độ chính xác cao do đó cũng cần các thiết bị kiểm tra tương ứng. Vì vậy các loại máy Đo Tọa Độ 3 Chiều Nano cũng ra đời và đây cũng là một trong những thách thức và hướng phát triển của những loại thiết bị này. Điều này được minh chứng qua nhiều đề tài nghiên cứu của Heinrich Schwenke, Frank Härtig, Klaus Wendt, future challenges in coordinate metrology, Germany [20], Uwe Brand, Thomas Kleine-Besten, Development of a special CMM for dimensional metrology on microsystem components, Germany [21]. CMM hiện nay đã trở thành một bộ phận không thể thiếu của hệ thống kiểm soát chất lượng công nghiệp. Hầu như không có hình dáng nào mà không thể đo bằng máy CMM. Sự cải tiến về mức độ linh hoạt, kỹ thuật đo, phần cứng và độ chính xác nhằm tiết kiệm thời gian, chi phí, sức người trong việc kiểm tra bằng CMM và những ứng dụng trong lĩnh vực khác theo Bosch [1]. Điều này cũng được 9 minh chứng qua nhiều báo cáo và những đề tài nghiên cứu liên quan đến Máy Đo Tọa Độ Ba Chiều. Và ngày càng có nhiều nhà máy sản xuất CMM trên thế giới bảng 1.1: Bảng 1.1 Một số nhà sản xuất máy CMM trên thế giới 1. Brown & Sharpe,USA 19. Sheffield Measurement. USA 2. Crown Windley, UK 20. SIP, Switzerland 3. DEA, Italy 21. Somet, Czechoslovakia 4. ELey & Warren, UK 22. Stiefelmayer,Germany 5. Ferranti, UK 23. Tri Mesures, France 6. ITP, UK 24. TSK, Japan 7. C.E.Johansson, Sweden 25. Verdict Gauge, UK 8. Keeling Metrology, UK 26. W.A, Metrogy, UK 9. L.K.Tool. UK 27. Zeiss, Germany 10. Messwelk, Gmbh, Germany 28. Mtronic, UK 11. Mittutoyo, japan 29. Mondo,UK 12. Messwelk Gmbh, Germany 30. Schunk Werth Messtechnik, 13. Mittutoyo, Japan. Germany 14. Moore Special, USA 31. View Engineering , USA 15. Numerrex 32. Vision Engineering, UK 16. Prima Automation, 33. WEGU, Germany 17. Prima, Italy 34. Starrett, USA 18. Renault Automation, France 35. Wenzel, Germany 36. Accurate Engieering, India 10 Với những yêu cầu về độ chính xác khắc khe thì có những yêu cầu đặt biệt đối với cấu trúc máy CMM. Việc khống chế các sai số trong máy CMM là một trong những vấn đề khó khăn và luôn là quan tâm của những nhà nghiên cứu về thiết bị đo. Những đề tài nghiên cứu về sai số: ảnh hưởng độ chính xác của các chi tiết gia công và lắp ráp, ảnh hưởng trọng lượng các chi tiết và ảnh hưởng môi trường làm việc như : nhiệt độ, độ rung, độ ô nhiễm của môi trường đến độ chính xác của máy CMM [1]. Và các giải pháp khắc phục sai số : Tăng độ chính xác các chi tiết gia công và các cụm lắp ráp chi tiết, sử dụng phần mềm bù trừ sai số của máy CMM [1], [19], và các yêu cầu môi trường làm việc của máy CMM để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo… 11 Máy đo tọa độ CMM có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực theo [1],[9],[10], [16] như :
Trong chế tạo các chi tiết cơ khí, điện tử, quang học và thiết kế mẫu, các dây chuyền tự động hóa:
Trong nghành sản xuất ô tô, hàng không và vũ trụ: 12 13 Tuy nhiên theo Bosch [1] thì máy CMM thực sự thích hợp với những điều kiện sau:
Số lượng sản phẩm nhỏ: Khi số lượng chi tiết sản xuất hàng loạt với những hình dạng đơn giản thì không nên sử dụng CMM mà nên sử dụng thiết bị đo chuyên dùng. Chỉ với số lượng sản phẩm nhỏ thì sử dụng CMM mới có hiệu quả.
Có nhiều đặc điểm hình học trên chi tiết: Khi yêu cầu chi tiết về kích thước và sai số hình dáng thì thiết bị CMM là giải pháp khả thi và hiệu quả kinh tế.
Mức độ linh hoạt : Chúng ta có thể chọn hệ thống CMM để thực hiện đo với chu kỳ đo ngắn và có thể đo nhiều yếu tố hình học cùng một lúc.
Chi tiết có giá thành cao: Với chi tiết có yêu cầu khắc khe và giá thành chi tiết cao thì cần sử dụng CMM để tránh việc đo sai.
Chu kỳ sản xuất không liên tục: Tức là quá trình đo cần thời gian để hoàn thành đo một chi tiết trước khi chi tiết tiếp theo đến. Vì những thuận lợi của máy CMM theo Bosch [1] thì CMM có quá trình hình thành và phát triển như sau: Máy đo Microptic được tạo ra bởi Hilger và Watts của U.K Incorporated với những tiêu chuẩn riêng của mình trong việc hình thành tỉ lệ xích của thấu kính. Công ty Carl Zeiss của Đức lần đầu tiên giới thiệu vào cuối thập niên 1920. Và nó trở nên phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới. Societe Genevoise của Thụy sĩ đã khởi tạo ra máy Jig-Boring. Loại máy SIP là loại phổ biến. Và những nền tảng thiết kế của chúng được ứng dụng trong máy JigBoring và CMM. Moore Special Tool của USA đã giới thiệu máy UMM (Universal measuring machine-máy đo vạn năng) đã dựa trên nền tảng của máy Jig-machines giống như máy SIP. Máy đo đầu tiên được gọi là máy đo tọa độ CMM được Ferranti Ltd. của Scotland vào năm 1956. Năm 1961 đã thương mai hóa hãng Ferranti thành Codax. 14 Yếu tố chính mà khiến CMM phát triển là độ chính xác cao, phạm vi đo lớn và hệ thống đo số với khả năng tích hợp điện. Hệ thống cảm biến hiển thị vân sáng là lý tưởng vì có độ chính xác cao, giá thành không cao và dễ dàng đưa về điểm không. Tháng 12 năm 1965 Digital Electronic Automation của Italy đã tạo ra máy mà điều khiển chuyển động 3D bằng tay. Đến năm 1973 thì máy CMM tự động hoàn toàn đã sản xuất. Vào năm 1968, Mittutoyo của Nhật đã thiết kế công cụ đo X-Y. Sau đó, Mittutoyo đã phát triển thiết bị đo CMM với trục Z. Vào năm 1980, Mittutoyo đã giới thiệu máy CMM điều khiển nhờ máy tính đầu tiên. Năm 1973, Carl Zeiss của Đức đã giới thiệu máy đo toạ độ vạn năng với đầu đo. Đầu đo này có thể quét liên tục (Scanning) với đời máy CMM đầu tiên là UMM500. Vào năm 1978, Carl Zeiss giới thiệu máy CMM với đầu dò tiếp xúc xung (touch trigger) WMM 850, sử dụng cảm biến quang điện (piezo-electric). Đầu dò có khả năng đạt độ chính xác cao nhưng chi phí thấp. Năm 1982, Carl Zeiss giới thiệu máy CMM lần đầu tiên, ZMC 550, với thiết kế đặt biệt để đáp ứng những sản phẩm truyền động và bánh răng. Năm 1985, Carl Zeiss và Sheffield đã tạo ra sản phẩm máy CMM có sử dụng phần mềm để hiệu chỉnh. Quá trình Zeiss được gọi là độ chính xác nhờ máy tình ( Computer Aided Accurate – CAA.) trong khi Sheffield gọi nó là độ chính xác micro (Micro-proccessor Enhanced Accuracy (MEA). Kỹ thuật sữa lỗi sai số bằng phần mềm đã tạo một bước đột phá cho CMM. Năm 1989, Carl Zeiss của tập đoàn Coated Aging Resistant Technology – CARAT lần đầu tiên đã cải tiến độ cứng vững của thanh dẫn hướng trong những điều kiện nhiệt độ khác nhau. Sau đó những nhà sản xuất lớn, những công ty kỹ thuật và những nhà doanh nghiệp từ những quốc gia công nghiệp đã tham gia vào thị trường CMM. Một số 15 nhà sản xuất máy CMM lớn như : Carl Zeiss, Leitz, Brown & Sharpe, SIP, … Sau đó vì những yêu cầu từ những ngành công nghiệp mũi nhọn và nhu cầu thị trường thì ngày càng có nhiều hãng sản xuất và những trường đại học nghiên cứu và chế tạo thiết bị này. Từ những nhu cầu phát triển của các ngành công nghiệp tiên tiến, những công nghệ cao như vi gia công, công nghệ Nano ngày càng được phát triển và sự cạnh tranh ngày càng cao. Có nhiều nghiên cứu tiến sĩ về lĩnh vực thiết kế và gia công chính xác nói chung và máy đo tọa độ máy CMM nói riêng. Có những chuyên gia hàng đầu về nghiên cứu máy chính xác, những nguyên lý thiết kế và gia công chính xác như Alexander H. Slocum [16]. Những đề tài nghiên cứu tiến sĩ của Layton Carter Hale [18] về nguyên lý và thiết kế máy chính xác [18]. Từ những nhu cầu đó có nhiều trường đại học nghiên cứu về máy chính xác như : Đại học California của Mỹ, viện kỹ thuật Kanagawa Institute of Technology của Nhật, Massachusetts Institute of Technology của Mỹ.. Từ những yêu cầu đặt ra cho sự phát triển của nền công nghiệp gia công đã có nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới về máy CMM. Nhóm nghiên cứu : Gerhard Trieb, Konigsbronn, Karl Shepperle, Oberkochen, Karl-Eugen Aubele, Gussenstadt với đề tài nghiên cứu: “Control for coordinate measuring intruments”, đã nghiên cứu về quá trình động học của đầu đo trong quá trình lấy dữ liệu đo. Nhóm nghiên cứu: R. Hocken, J.A. Simpson, B. Borchardt, J. Lazar, C. Reeve, and P.Stein đã nghiên cứu và đưa ra hai nguyên tắc thiết kế và chế tạo máy đo chính xác và máy dụng cụ: đó là bù sai số trong quá trình đo và thuật toán phân tích bằng thống kê [2]; Nhóm nghiên cứu : Karl-Hermanm Breyer, Heidenheim, Bernt Kamm Leiter, Oberkochen, Otto Ruck, Pfahlheim với đề tài:”Method of measuring elemental shapes of a workpiece on a coordinate measuring machine”, nghiên cứu về cách thức mà máy CMM lấy dữ liệu tọa độ khi đo các chi tiết [3]; Wilhelmus Godefridus Weekers đã nghiên cứu về “Compensation for Dynamic Errors of Coodinatine Measuring Machines” [4], những sai số động học của máy CMM và 16 phương án bù sai số động học của máy CMM; Ulf Petterson vào năm 2004 đã nghiên cứu đề tài “ Identification and Adaptor Control of a Coordinate Measuring Machine”, trong bài nghiên cứu này đã mô hình hóa hệ thống cơ của máy CMM và xác định các thông số vật lý của hệ thống mô hình hóa và sử dụng Matlab để tính toán. John A. Bosch đã viết cuốn sách về CMM “ Coordinate Measuring Machines and Systems”, nội dung sách viết về tổng quan và tình hình phát triển, phân tích những sai số và những vấn đề trong máy CMM… [1]; David P. Leech, Albert N. Link với nghiên cứu “The Economic Impacts of NIST’S Software Error Compensation Research”,1996 tìm hiểu về tính kinh tế của phần mềm sử dụng hỗ trợ cho máy CMM nói chung và phần mềm NIST’S nói riêng về tính linh hoạt và khả năng bù trừ sai số bằng phần mềm của CMM[7]… Do những tính năng thuận lợi của máy Đo Tọa Độ và nhu cầu phát triển của máy này mà nhiều nhà sản xuất và kinh doanh đã mạnh dạng đầu tư để phát triển lĩnh vực này. Bảng 1.1 liệt kê một số nhà sản xuất máy CMM trên thế giới hiện nay. Một số máy CMM của một số hãng nổi tiếng và những đặc điểm kỹ thuật [9], [10]: Bảng 1.2 Một số dạng máy của các hảng sản xuất máy CMM trên thế giới. Hãng Model Kích thước Độ chính (µ µm) Zeiss, Germany Center Max 900x1200x700 1.4+L/300 GageMaxHTG 7/5/7 750x500x500 2.2+L/300 Wenzel, Germany LH 108 1000x2500x800 2.1+L/350 Sheffield, USA CordaxEndeavor.121510. 1219x1524x1016 3.3+L/250 Cordax Micro Hite 3D 600x750x430 3.0+3L/1000 Crown Windley, T1317 USA 1300x1000x750 2.5+L/200 Mitutoyo, Japan Crystar-ApexC121210 1205x1205x1005 2.3+4L/1000 Bright STRATO 776 705x705x605 L: chiều dài kích thước đo (mm) 1.2+3L/1000 xác 17 Thiết kế máy chính xác hiện nay ở Việt Nam vẫn là một ngành non trẻ. Nhờ quá trình hội nhập với thế giới việc sử dụng những máy gia công CNC có thể tạo ra các chi tiết chính xác cao. Hiện nay, ở Việt Nam đã có một số nơi như BKMECH có thể thiết kế một vài chi tiết có độ chính xác thấp trong máy CNC ( thân máy, bàn máy..). Nhưng về thiết kế máy CMM thì ở Việt Nam gần như là chưa có một cơ sở nào thiết kế và có đủ khả năng công nghệ, thiết bị để gia công các chi tiết của máy CMM. Hiện nay đã có một số cơ sở sản xuất đã đầu tư và sử dụng thiết bị này như: Công ty Nhựa DUYTAN đã đầu tư máy CMM của hãng Mitutoyo, Viện công nghệ Neptech đầu tư máy CMM của hảng Carl Zeiss, Công ty ASUZAK sử dụng máy của hãng Accretech… Hiện nay, một số trường đại học lớn ở nước ta đã bắt đầu nghiên cứu về lĩnh vực máy đo tọa độ này như: khoa cơ khí của trường đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội đang nghiên cứu thiết kế máy CMM. Hãng Mitutoyo của Nhật liên kết với bộ môn đo lường của khoa cơ khí của trường đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh để phổ biến kiến thức về máy CMM vào trường này. Hãng Carl Zeiss của Đức đã mời một số giáo viên của các trường đại học lớn ở Việt Nam tham quan công ty ở Đức năm 2007. Để đưa Việt Nam trở thành một nước công nghiệp. Một trong những yêu cầu là phát triển công nghiệp cao. Nên chính phủ đã đầu tư kinh phí vào các trường đại học và các viện nghiên cứu để đầu tư nghiên cứu những thiết bị công nghệ cao. Máy CMM cũng là một trong những công nghệ đó. Vì vậy có một số đề tài nghiên cứu về lĩnh vực này như “Ứng dụng Robot song song vào máy CMM” của nghiên cứu sinh Nguyễn Hữa Tâm do PGS.TS Thái Thị Thu Hà hướng dẫn. Tóm lại việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy CMM hiện nay ở Việt Nam gần như là chưa hoàn thiện. Do đó vấn đề nghiên cứu và chế tạo máy CMM là một lĩnh vực mới ở Việt Nam. Vì vậy tôi quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế máy Đo Tọa Độ Ba Chiều CMM”. 18 Mục đích nghiên cứu: Thiết kế máy CMM đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đã đặt ra. Mục tiêu nghiên cứu: Tìm hiểu tổng quan các sai số trong máy CMM và nguồn gốc gây ra các sai số này. Để từ đó đưa ra các nguyên tắc và kỹ thuật thiết kế máy chính xác nói chung và máy đo tọa độ 3 chiều nói riêng. Kiểm soát được các sai số hệ thống của máy chính xác (máy đo tọa độ 3 chiều) và đưa ra các phương án giảm các sai số này. Sử dụng phần mềm hỗ trợ Ansys để kiểm tra biến dạng của hệ thống do ảnh hưởng của trọng lượng của các chi tiết máy ở trạng thái tĩnh và trạng thái động. Đưa ra phương pháp luận để thiết kế máy có độ chính xác cao (như máy đo tọa độ 3 chiều) đảm bảo các yêu cầu đặt ra. Và đưa ra phương pháp thiết kế máy đo toạ độ với độ chính xác đảm bảo theo khả năng công nghệ ở Việt Nam. Giới hạn của luận văn nghiên cứu Đối với máy đo tọa độ 3 chiều những yêu cầu đặt ra ngoài yêu cầu của hệ thống cơ còn yêu cầu về hệ thống điều khiển, phần mềm sử dụng trong máy và môi trường làm việc của máy Đo Toạ Độ 3 Chiều cũng là những yêu cầu chính yếu để đáp ứng yêu cầu đặt ra của máy Đo Tọa Độ 3 Chiều. Vì vậy những vấn đề về gây ra sai số không phải hệ thống như : độ rung và nhiệt độ cũng là những nguồn gây ra sai số chính cho máy CMM. Sau khi thiết kế hệ thống cơ của máy việc tiếp theo là phải kiểm soát các sai số của chúng. Thiết lập biểu đồ sai số của hệ thống cơ để làm tín hiệu hồi tiếp để bù sai số bằng phần mềm. 19 CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Trong chương này tập trung phân tích những ưu và nhược điểm của từng loại máy CMM. Từ đó đưa ra phương án chọn loại máy cần phải thiết kế. Đồng thời tìm hiểu các sai số và nguồn gốc gây ra các sai số này, để từ đó đưa ra các nguyên tắc và kỹ thuật thiết kế để giảm các sai số này. Dựa vào một số hãng sản xuất máy CMM trên thế giới để đưa ra các thông số yêu cầu kỹ thuật cho thiết kế máy. Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật ban đầu cho máy CMM cần thiết kế: Các đặc tính kỹ thuật Yêu cầu Kích thước máy 1400x1220x2600mm Phạm vi đo 650x600x500 Tốc độ đo 80 -200 mm/s Tốc độ di chuyển của mỗi trục ở chế độ bình thường 20-30 mm/phút Nhiệt độ môi trường làm việc 200C ± 2 0 C Độ chính xác ở 200C 3.0+L/300 (µm). 2.1. Khái niệm và phân lọai máy đo tọa độ. 2.1.1. Khái niệm máy Đo Tọa Độ Ba Chiều CMM: Theo Bosch [1] máy Đo Tọa Độ Ba Chiều được định nghĩa như sau: Máy đo toạ độ (CMM) là hệ thống được thiết kế để di chuyển đầu dò nhằm xác định toạ độ các điểm rời rạc trên bề mặt chi tiết đo so với hệ tọa độ chuẩn của 20 máy. Tuy nhiên chúng có thể ước lượng các thông số của chi tiết (ví dụ đường kính, khoảng cách và góc…) một cách trực tiếp từ những điểm đo bằng cách dựa vào các thuật toán xấp xĩ. Một hệ thống máy CMM thông thường như hình 2.1: Dẫn hướng Khối đở Hình 2.1 Hệ thống Máy Đo Tọa Độ Ba Chiều CMM Một hệ thống máy CMM thông thường gồm các bộ phận chính sau:
Máy tính điều khiển (phần mềm điều khiển).
Bộ điều khiển máy CMM.
Máy CMM.
Hệ thống đầu dò.