MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ DẠNG CẦU TRỤC
Giới thiệu chung
1.1.1 Giới thiệu chung và phân loại máy đo 3 tọa độ
Máy đo 3 tọa độ, hay còn gọi là Coordinate Measuring Machine (CMM), là thiết bị đo lường phổ biến trong sản xuất và nghiên cứu Thiết bị này xác định tọa độ không gian của các điểm trên bề mặt thông qua đầu đo, từ đó sử dụng phần mềm để phân tích và xuất kết quả về sai lệch kích thước, hình dạng và vị trí bề mặt Đầu đo có thể được điều khiển thủ công hoặc tự động bằng máy tính, với vị trí xác định từ điểm gốc của máy Các trục XYZ song song với trục chuyển động của máy cho phép đầu đo di chuyển linh hoạt, bao gồm cả việc điều chỉnh góc để đo các bề mặt khó tiếp cận.
Hệ tọa độ của máy đo bao gồm ba trục Ox, Oy, Oz vuông góc với nhau, tương ứng với hệ tọa độ 3 chiều Đề-các Mỗi trục X, Y, Z đều được trang bị thước kích để đo dịch chuyển chính xác.
Số đo xác định vị trí của xe trên sống dẫn
• Trục Ox gồm xe trượt X chạy trên thanh dẫn hướng X, xe trượt X sẽ trượt đến từng điểm khác nhau trên trục X tạo ra hoành độ của điểm đo
• Trục Oy gồm xe trượt Y chạy trên thanh dẫn hướng Y, xe trượt Y sẽ trượt đến từng điểm khác nhau trên trục Y tạo ra tung độ của điểm đo
• Trục Oz gồm xe trượt Z chạy trên thanh dẫn hướng Z, xe trượt Z sẽ trượt đến từng điểm khác nhau trên trục Z tạo ra cao độ của điểm đo
Máy CMM có nhiều loại với kích cỡ, thiết kế và công nghệ đo khác nhau, bao gồm hệ điều khiển cơ (Manual) và hệ điều khiển số (CNC/PC) Theo tiêu chuẩn ANSI/ASME B89.1.12M, có 10 cấu hình khác nhau, nhưng các loại phổ biến thường được sử dụng là kiểu dầm công-xôn (cantilever arm), kiểu tay đòn nằm ngang (horizontal arm), kiểu giàn (gantry) và kiểu cầu (bridge).
Dầm công-xôn cho phép đầu đo di chuyển theo phương Z nhờ vào bộ phận gắn trên dầm, trong khi dầm này cũng có khả năng di chuyển theo phương Y và X.
❖ Kiểu tay đòn nằm ngang
Trục lắp đầu đo được đặt ngang và gắn vào giá đỡ thẳng đứng di động, tạo nên máy đo 3 tọa độ kiểu tay đòn nằm ngang Mặc dù có độ chính xác kém nhất trong bốn loại máy đo CMM, loại máy này lại sở hữu ưu điểm nổi bật là khả năng đo các chi tiết lỗ sâu, điều mà các máy đo 3 tọa độ khác không thể thực hiện.
Phạm vi đo của máy cũng đa dạng từ 200x200x300 mm đến 2x2x1 m
Hình 1.1 Máy đo 3 tọa độ dạng công-xôn (cantilever arm)
Hình 1.2 Máy đo 3 tọa độ kiểu tay đòn nằm ngang (horizontal arm)
Giàn được thiết kế đặc biệt cho các bộ phận lớn và nặng, yêu cầu lắp đặt trực tiếp trên nền chắc chắn Điều này là yêu cầu bắt buộc từ nhà sản xuất và không thể bỏ qua.
Phạm vi đo của CMM giàn có thể thay đổi từ 1x2x1 m XYZ đến 4x10x3 m XYZ và thậm chí có máy phạm vi đo lớn hơn đã được chế tạo
Hình 1.3 Máy đo 3 tọa độ kiểu giàn (gantry)
Hình 1.5 CMM kiểu cầu di động Hình 1.4 CMM kiểu cầu cố định
Máy đo 3 tọa độ kiểu cầu trục là loại máy đo phổ biến nhất, thường được thiết kế với bàn cố định và hai chân hỗ trợ cầu nối Loại máy này được chia thành hai dạng chính: cầu di chuyển (Moving Bridge CMM) và cầu cố định (Fixed Bridge CMM).
Nghiên cứu được thực hiện trên máy đo 3 tọa độ kiểu dầm di động, trong đó cầu nối có khả năng di chuyển tự do dọc theo bàn đá granite Một chân, thường gọi là chân trong, theo sát thanh dẫn hướng (thanh dẫn hướng trục Y) được gắn chính xác vào một bên bàn đá granite, trong khi chân đối diện, hay chân ngoài, chỉ đơn giản đặt trên bàn đá granite.
1.1.2 Ưu, nhược điểm của máy đo 3 tọa độ dạng cầu trục Ưu điểm: Máy đo 3 tọa độ dạng cầu trục có cấu trúc đơn giản, chi phí lắp đặt thấp, độ cứng vững cao, nên độ chính xác được đảm bảo trong thời gian dài Vì vậy, máy đo 3 tọa độ dạng cầu trục trở nên cực kỳ phổ biến
Máy đo 3 tọa độ dạng cầu có nhược điểm do cấu trúc cầu làm hạn chế phạm vi đo bởi khoảng cách giữa các cột trụ chống Mặc dù sở hữu nhiều ưu điểm, nhưng do một bên cầu được dẫn động trong khi bên kia di chuyển tự do, sự khác biệt về tốc độ giữa hai bên có thể dẫn đến hiện tượng xoắn cầu nối Để khắc phục vấn đề này, hầu hết các máy đo 3 tọa độ dạng cầu đều sử dụng ổ đệm khí, giúp chuyển động không ma sát và giảm thiểu tác động cơ học.
1.1.3 Ứng dụng của máy đo 3 tọa độ
- Kiểm tra sản phẩm sau gia công
Máy đo 3 tọa độ là thiết bị quan trọng trong việc kiểm tra độ chính xác kích thước và vị trí tương quan của chi tiết máy, giúp hiệu chỉnh và nâng cao chất lượng sản xuất Chức năng này đặc biệt hữu ích trong việc thiết kế lại các chi tiết có sẵn trong ngành cơ khí.
Hình 1.6 Kiểm tra sản phẩm sau gia công bằng máy CMM
- Thiết kế ngược chi tiết
Máy đo 3 tọa độ cho phép vẽ lại chính xác hình dạng của các chi tiết phức tạp và bề mặt cong không theo quy luật, từ đó giúp các nhà thiết kế tạo ra bản vẽ 2D phù hợp với yêu cầu thiết kế trong bối cảnh công nghiệp 4.0.
1.1.4 Đệm khí Đệm khí là một thiết bị dùng một lớp khí nén mỏng để tạo ra sự chuyển động không ma sát giữa hai bề mặt phân cách Hệ thống không ma sát này cho phép máy đo 3 tọa độ đạt được độ chính xác cao hơn so với hệ thống ổ bi hoặc ổ lăn Bằng cách cấp một lưu lượng khí khô, sạch và áp suất ổn định (đối với hãng Mitutoyo, áp suất khí là 0,4 Mpa) sẽ tạo ra lớp khí nén mỏng; khí qua qua bộ phận điều áp sẽ được dẫn tới từng đệm khí và phân phối theo các dạng rãnh trên bề mặt đệm khí, khi đó hình thành một phân bố áp giữa bề mặt đệm và bề mặt dẫn, tạo ra một lực nâng đệm khí lên khỏi bề mặt dẫn, khe hở giữa hai bề mặt này được gọi là khe hở khí
Hình 1.7 Máy đo 3 tọa độ lấy kích thước và dựng lại mẫu trên máy tính
Hình 1.8 Đệm khí sử dụng trên máy đo 3 tọa độ
Cấu trúc chung của máy đo 3 tọa độ dạng cầu trục
Máy đo 3 tọa độ thường gồm 3 khối sau đây:
Hình 1.10 Cấu trúc chung của máy đo 3 tọa độ dạng cầu trục Hình 1.9 Vị trí một đệm khí trên máy đo tọa độ Mitutoyo
Khối thân máy bao gồm ba trục vuông góc với nhau, được trang bị thước kính để xác định dịch chuyển trên từng trục Bên cạnh đó, máy còn có bàn đá granite, động cơ và hệ thống điều khiển động cơ, đặc biệt là cho các máy có hệ điều khiển CNC.
Khối hệ đầu đo xác định tập dữ liệu khi tiếp xúc với chi tiết đo, sau đó truyền thông tin này về khối xử lý dữ liệu đo.
Khối xử lý dữ liệu bao gồm phần mềm đo 3D MCOSMOS của hãng Mitutoyo, được cài đặt trên máy tính Phần mềm này có khả năng tính toán kích thước của phôi và tạo ra các chương trình đo tự động dựa trên thông tin từ tập dữ liệu điểm đo nhận được từ khối hệ đầu đo.
Nguyên tắc hoạt động của máy đo 3 tọa độ dạng cầu trục
Máy đo 3 tọa độ dạng cầu trục có cấu trúc với trục X nằm ngang từ phải sang trái, trục Y hướng từ tiến tới lùi, và trục Z hướng lên xuống Sự dịch chuyển trên từng trục được xác định thông qua các thước kính được gắn trên mỗi trục.
Giá trị dịch chuyển tăng lên khi chúng chuyển động theo hướng (hình 1.11): o Trục X: từ trái đến phải o Trục Y: từ trước đến phải o Trục Z: từ dưới đến trên.
Các hướng nghiên cứu về chuyển vị trục trên máy đo 3 tọa độ
a) Chuyển vị do lực quán tính gây ra
Hình 1.11 Nguyên tắc hoạt động của máy đo 3 tọa độ dạng cầu trục
Khi máy đo 3 tọa độ hoạt động, lực quán tính phát sinh do sự khác biệt giữa tốc độ di chuyển và tốc độ đo, đặc biệt khi di chuyển nhanh, dẫn đến chuyển vị khâu và khớp Để di chuyển từ điểm đo này tới điểm đo khác, đầu đo được tăng tốc để đạt tốc độ di chuyển định sẵn, sau đó giảm xuống tốc độ đo khi đến điểm đã định Quá trình thay đổi tốc độ này sinh ra lực quán tính, gây sai số động lực học, ảnh hưởng đến độ chính xác kết quả đo, nhất là khi tốc độ di chuyển gần với giới hạn Nghiên cứu của Wim Weekers cho thấy khi tốc độ di chuyển ≤ 8mm/s và tốc độ đo ≤ 5mm/s, không xuất hiện chuyển vị và sai số Tuy nhiên, khi tốc độ di chuyển trong khoảng 10mm/s đến 70mm/s, với tốc độ đo ≤ 5mm/s, chuyển vị khớp xảy ra, dẫn đến sai số tăng lên, đạt mức tối đa khi tốc độ di chuyển bằng 70mm/s Các chi tiết trong kết cấu máy chịu lực quán tính sẽ bị chuyển vị và rung động, ảnh hưởng đến toàn bộ kết cấu.
Theo Phạm Hồng Thanh, chuyển vị ở các khớp do lực quán tính, phát sinh từ sự chênh lệch giữa tốc độ di chuyển và tốc độ đo, được nghiên cứu thông qua phương pháp quy hoạch thực nghiệm yếu tố toàn phần Các cảm biến đo dịch chuyển nhạy cao được lắp trên khâu mang ổ đệm khí đã giúp biểu diễn quy luật chuyển vị của các khớp theo các phương trình Từ đó, một mô hình toán học đã được xây dựng để thể hiện ảnh hưởng của các chuyển vị khớp đến vị trí đầu đo của máy đo 3 tọa độ Ảnh hưởng của chuyển vị do lực quán tính được xác định là khoảng 9àm, với phép đo căn mẫu 100mm đã được hiệu chuẩn.
* Các giải pháp giảm ảnh hưởng của chuyển vị do lực động gây ra:
Dao động tự do, lực cưỡng bức và lực quán tính có thể gây ra sự thay đổi không mong muốn trong vị trí giữa đầu đo và vật đo, ảnh hưởng đến độ chính xác của máy đo 3 tọa độ Mức độ ảnh hưởng này phụ thuộc vào thiết kế máy, khung máy, hướng và biến thiên tốc độ mà máy phải chịu Để giảm thiểu tác động của lực động đến độ chính xác, các giải pháp hiệu quả bao gồm thiết kế hệ thống đo tốt hơn, chế tạo máy đo chính xác hơn và cách ly máy đo khỏi các nguồn gây lực động Máy đo 3 tọa độ được chế tạo tốt sẽ giảm thiểu ảnh hưởng xấu từ sự thay đổi tốc độ Biện pháp cách ly nhằm giảm bớt dao động, đặc biệt là từ máy nén khí, giúp máy chịu được sự thay đổi tốc độ ở mức thấp nhất và chấp nhận các dao động phát sinh Để đạt được kết quả đo chính xác, đặc biệt là ở tốc độ cao, cần giảm thiểu ảnh hưởng của sai số động lực học đến mức tối thiểu Có ba cách tiếp cận chính để giảm tác động của sai số động lực học trong quá trình đo.
Để giảm thiểu sai số động lực học do lực quán tính, các bộ phận của máy đo cần có khối lượng nhỏ và độ cứng cao Teague [14] khuyến nghị thiết kế các bộ phận máy đo 3 tọa độ với hình dạng đối xứng cao, sử dụng vật liệu có hệ số dãn nở nhiệt thấp và áp dụng các truyền động êm ái nhằm hạn chế lực tác động không mong muốn Ông cũng đề xuất tách biệt hệ thống đo và dẫn động để cải thiện độ chính xác trong thiết kế.
Một số tác giả đã cải tiến bộ điều khiển của máy để giảm nhanh chóng dao động khi chuyển đổi từ tốc độ di chuyển sang tốc độ đo Họ phát triển động cơ servo và bộ điều khiển tối ưu cho máy đo nhằm giải quyết mâu thuẫn giữa việc đạt tốc độ đo cao và đảm bảo độ chính xác của kết quả đo.
Giải pháp bù sai số trên phần mềm đo
Nếu chuỗi kết cấu của máy đo 3 tọa độ và quá trình điều khiển máy không đạt được độ chính xác mong muốn, có thể thực hiện việc bù sai số tại vị trí đầu đo liên quan đến hệ tọa độ gốc của máy Các tác giả Huang và Viktor đã đề cập đến vấn đề này trong nghiên cứu của họ.
Phạm Hồng Thanh đã trình bày các quan điểm của mình về việc phát triển phần mềm bù sai số, coi đây là giải pháp tối ưu hiện nay Đồng thời, ông cũng nhấn mạnh vấn đề chuyển vị do độ không cứng vững, cho thấy tầm quan trọng của việc cải thiện độ chính xác trong các ứng dụng kỹ thuật.
Chuyển vị do độ không cứng vững xảy ra từ nhiều nguyên nhân, bao gồm giả thiết về độ cứng và độ bền giới hạn không chính xác, cũng như trọng lượng và hình dạng của các thành phần trong máy đo 3 tọa độ Các tải trọng tĩnh hoặc tải trọng thay đổi chậm theo thời gian cũng góp phần gây ra chuyển vị ở các trục Để giảm sai số của máy đo, cần gia tăng độ chính xác trong gia công chi tiết, sử dụng cấu trúc có độ cứng vững cao, vật liệu bền, khối lượng riêng nhỏ và hệ số giãn nở nhiệt thấp.
Việc nâng cao độ chính xác và duy trì khả năng làm việc của máy đo 3 tọa độ là một vấn đề quan trọng đang thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu Mục tiêu chính là tăng năng suất đo mà vẫn đảm bảo độ chính xác, tuy nhiên, điều này đòi hỏi phải tăng tốc độ di chuyển và giảm tốc độ đo, dẫn đến nguy cơ xuất hiện chuyển vị ở các khớp, ảnh hưởng đến kết quả đo Nghiên cứu về chuyển vị do tải trọng tĩnh cũng rất cần thiết, giúp các nhà thiết kế lựa chọn vật liệu phù hợp nhằm đảm bảo độ chính xác trong thời gian làm việc lâu dài Chương 2 sẽ tập trung vào phân tích chuyển vị do lực quán tính và tải trọng tĩnh tác động lên máy đo 3 tọa độ, từ đó đánh giá ảnh hưởng của chúng đến hoạt động và độ chính xác của máy.
NGHIÊN CỨU CÁC CHUYỂN VỊ TRÊN MÁY ĐO TỌA ĐỘ
Chuyển vị khi lực quán tính tác động
2.1.1 Các khớp trên máy đo 3 tọa độ dạng cầu trục
Khâu dẫn hướng được thiết kế dưới dạng thanh để hỗ trợ và định hướng cho khâu mang Ổ đệm khí được lắp đặt trên khâu mang, kết nối khâu mang với khâu dẫn hướng, cho phép khâu mang di chuyển tương đối với khâu dẫn hướng theo các trục X, Y, Z, tạo ra các khớp trượt Trong đó, khớp trên trục Y đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển động.
Khâu dẫn hướng trục Y là một dầm hình chữ nhật gắn chặt vào bàn Granite, tạo thành một khối vững chắc Trên khâu dẫn hướng này, khâu mang trụ đỡ cầu di chuyển dọc theo trục Y thông qua một liên kết khớp trượt Liên kết này được tạo ra bởi các đệm khí, trong đó có 2 đệm khí nâng khâu mang theo phương trục Z và 6 đệm khí nâng khâu mang theo phương trục X.
Hình 2.1 Khớp giữa khâu dẫn hướng và khâu mang
Hình 2.2 Bố trí đệm khí trên trục Y
Khớp trên trục X được tạo bởi khâu dẫn hướng trục X và khâu mang trên trục
X Khâu dẫn hướng trục X được đỡ bởi hai trụ, trụ bên trái gắn với khâu mang trục
Y, chuyển động cùng khâu mang trục Y, còn trụ bên phải được nâng bởi một đệm khí Khâu mang trên trục X được liên kết với khâu dẫn hướng bởi: 2 đệm khí nâng khâu mang theo phương trục Z, 6 đệm khí nâng khâu mang theo phương trục Y (hình 2.5) c Khớp trên trục Z Ở trên trục Z, khâu dẫn hướng và khâu mang không phải là 2 khâu riêng biệt mà được kết hợp làm một Khâu dẫn hướng cũng là khâu mang, nó vừa dẫn hướng cho chuyển động của trụ đo theo phương trục Z, vừa mang trụ đo chuyển động trên khâu dẫn hướng trục X Để trụ đo chuyển động dễ dàng theo phương thẳng đứng, giữa trụ đo và khâu dẫn hướng có khớp trượt được tạo bởi các đệm khí có nhiệm vụ như sau: 4 đệm khí nâng trụ đo theo phương trục Y, 6 đệm khí nâng trụ đo theo phương trục X (hình 2.4)
Hình 2.3 Bố trí đệm khí theo trục X
2.1.2 Các thành phần chuyển vị trên khớp
Vị trí đầu đo của máy đo 3 tọa độ được xác định bởi vị trí của từng khâu trong hệ tọa độ của máy, thông qua các thước kính gắn trên các trục Tuy nhiên, trong quá trình đo, sự tác động của các nguồn gây sai số có thể làm cho khâu dẫn hướng và khâu mang bị chuyển vị, dẫn đến vị trí đầu đo không chính xác so với lý thuyết, từ đó ảnh hưởng đến độ chính xác của máy đo 3 tọa độ.
Một khớp được hình thành từ cặp khâu dẫn hướng và khâu mang, do đó, trước khi phân tích các thành phần chuyển vị của khớp, cần xem xét các yếu tố tạo thành khớp này Trạng thái của mỗi khâu được mô tả bởi ba thành phần tịnh tiến và hai thành phần xoay, phản ánh các bậc tự do của khâu Mỗi thành phần chuyển vị được ký hiệu bằng ba chữ: chữ đầu chỉ trục chuyển động, chữ thứ hai là kiểu chuyển vị, và chữ thứ ba là hướng của chuyển vị Theo P.C Jain và R.P Singhal, mô hình chuyển vị cho máy đo ba tọa độ có ba trục vuông góc với nhau bao gồm 21 thông số, ảnh hưởng đến vị trí thực của đầu đo Để có kết quả chính xác, cần quy ước dấu của các chuyển vị: chuyển vị tịnh tiến dương khi theo chiều dương của các trục Các thành phần chuyển vị góc được xác định theo quy tắc bàn tay phải và có mối liên hệ chặt chẽ với các thông số hình dạng, thông số hình học và hệ tọa độ của máy.
Hình 2.4 Sơ đồ bố trí đệm khí trên trục Z
Phân tích chuyển vị khi lực quán tính tác động
Khi lực quán tính xuất hiện, nó gây ra các chuyển vị làm giảm độ chính xác của máy đo 3 tọa độ Các thành phần chuyển vị này bao gồm chuyển vị dài, uốn và xoay của các khâu và khớp trong chuỗi động học của máy Do đó, việc phân tích và đánh giá ảnh hưởng của lực quán tính đến độ chính xác là rất quan trọng.
Chuyển vị xoay YrX và ZrX xuất phát từ chuyển động của trục Y và Z Cụ thể, chuyển động trên trục Y tạo ra momen quanh trục X, dẫn đến xoắn khâu dẫn trục X, xoay khâu dẫn hướng và ảnh hưởng đến các ổ đỡ trên trục Y, gây uốn các trụ đỡ Đồng thời, lực từ chuyển động trục Z cũng gây uốn và xoắn khâu dẫn hướng trục X, dẫn đến nén và uốn các trụ đỡ.
Chuyển vị xoay trục Y chỉ xảy ra một cách không đáng kể do cấu trúc cầu (Bridge) có khả năng chống lại việc quay quanh trục này Lực tác động từ chuyển động theo trục X gây ra hiện tượng uốn và xoắn cho khâu mang trục Y và trục dẫn hướng Y Đồng thời, chuyển động theo trục Y tạo ra momen xoay quanh trục Z, dẫn đến việc uốn khâu dẫn hướng trục X, làm xoay khâu mang trục Y cùng với các ổ đỡ, và gây uốn cho trụ đỡ cũng như khâu dẫn hướng trục Y.
Chuyển vị tịnh tiến YtX do lực chuyển động dọc trục Y gây ra, dẫn đến việc uốn các trụ đỡ và làm xoắn khâu mang trục X cùng khâu dẫn hướng trục X Momen từ chuyển động trên trục Y tạo ra chuyển vị xoay YrZ, khiến khâu mang dịch chuyển theo phương X.
Chuyển vị tịnh tiến theo trục Y xảy ra do dịch chuyển của khâu mang trục Y, khi lực tác động trong quá trình chuyển động dọc trục Y làm uốn các trụ đỡ Đồng thời, chuyển động của trụ đo dọc trục Z cũng có thể tạo ra mô men quanh trục X, dẫn đến việc uốn cong các trụ đỡ và làm trụ đỡ dịch chuyển theo phương Y.
Hình 2.5 Các thành phần chuyển vị của khâu mang và khâu dẫn
Lực quán tính ảnh hưởng đến chuyển vị của các khâu và khớp trong máy đo khi di chuyển trên trục cuối cùng (trục Z) sẽ nhỏ hơn so với khi di chuyển trên trục đầu tiên (trục Y).
Lực quán tính ảnh hưởng đến các khâu dẫn hướng và khâu mang, tạo ra các thành phần chuyển vị tịnh tiến theo các trục với trị số nhỏ, có thể không đáng kể hoặc thậm chí bằng không.
Theo nghiên cứu của P.C Jain, R.P Singhal và Wim Weekers, các tác giả đã tổng hợp các thành phần chuyển vị chính ảnh hưởng đến độ chính xác của các máy đo 3 tọa độ phổ biến hiện nay.
Bảng 2.1 Các thành phần chuyển vị ảnh hưởng lớn trên máy đo 3 tọa độ dạng cầu di động [2]
Khâu bị chuyển vị lớn
Cầu dịch chuyển Cầu dịch chuyển Trụ đo
Chuyển vị xoay là yếu tố chính gây ra sai số lớn trong vị trí đầu đo, được ký hiệu là irj, thể hiện chuyển vị xoay quanh trục j khi di chuyển theo phương i Tổng hợp chuyển vị xoay bao gồm chuyển vị uốn của khâu dẫn, khâu mang và chuyển vị xoay của khớp nối Nghiên cứu cho thấy, chuyển vị xoay của khâu mang trên trục thấp nhất tạo ra chuyển vị lớn nhất, với thành phần chuyển vị xoay của khớp trượt giữa khâu mang và khâu dẫn hướng có giá trị vượt trội so với chuyển vị uốn của khâu dẫn hướng và khâu mang.
Thực nghiệm ảnh hưởng của lực quán tính đến kết quả đo
Tác giả Phạm Hồng Thanh đã chỉ ra mối quan hệ giữa sự thay đổi tốc độ, lực và chuyển vị của khớp, cho thấy rằng khi có sự thay đổi tốc độ (gia tốc) sẽ dẫn đến chuyển vị khớp, gây ra sai số cho máy đo Nghiên cứu cũng khẳng định ảnh hưởng của lực quán tính đến chuyển vị khớp, làm sai số cho máy đo 3 tọa độ, thông qua việc thực hiện đo căn mẫu theo tiêu chuẩn ISO (𝐿 đ𝑜 = 𝐿 ± (3 + 𝐿/250)𝜇𝑚) trên máy đo 3 tọa độ sau 5 năm sử dụng.
Thiết bị và dụng cụ đo được sử dụng:
▪ Máy đo 3 tọa độ được chế tạo tại Việt Nam
▪ Căn mẫu có kích thước chiều dài 100±0,0002mm, số hiệu 600000- 8905-000 tiêu chuẩn Đức
▪ Đầu đo PH6 của công ty Renishaw Nhật có bán kính 1mm
▪ Gá đặt và kẹp chặt
* Quãng đường di chuyển nhanh 50mm, quãng đường đo 5mm Khoảng chạy quá 10mm
Bảng 2.2 Kết quả đo căn mẫu ở các vận tốc di chuyển khác nhau [6]
Phân tích thí nghiệm chuyển vị do tải trọng tĩnh
Trong đồ án tốt nghiệp kĩ sư “Thiết kế, chế tạo máy đo 3 tọa độ dẫn động bằng tay”, tác giả đã gặp vấn đề nghiêm trọng liên quan đến trọng lượng của trục đo Z bằng thép C45 (khoảng 7kg), gây khó khăn trong việc xoay trục Z quanh trục X Để khắc phục, trục đo Z đã được thay thế bằng hợp kim nhôm nhẹ hơn (khoảng 37 kg) Để xác định mức độ ảnh hưởng của chuyển vị, tác giả và nhóm đã sử dụng phần mềm Inventor 2016 để mô phỏng ứng suất và chuyển vị của máy đo 3 tọa độ, với các điều kiện biên phù hợp cho mô phỏng.
+ Vật liệu từng bộ phận giống như yêu cầu trong thiết kế
+ Ràng buộc cố định (fixed constraint) là mặt phẳng bàn đá Granite
+ Lực tác dụng là trọng lượng của trục đo Z, lần lượt là 70N với trường hợp thép C45 và 37N với trường hợp hợp kim nhôm
2.2.1 Ứng suất và chuyển vị khi trục Z nằm bên trái trục X a Đối với trục Z được làm bằng thép C45
▪ Phân tích ứng suất theo thuyết bền Von Mises Stress
Hình 2.6 Phân bố ứng suất hệ cơ khí khi trục Z bằng thép C45
18 b Đối với trục Z được làm Hợp kim nhôm
▪ Phân tích ứng suất theo thuyết bền Von Mises Stress
Hình 2.8 Chuyển vị của các trục khi trục Z bằng thép C45
Hình 2.7 Phân bố ứng suất hệ cơ khí khi trục Z bằng hợp kim nhôm
Chúng ta đang phân tích lực trên hệ cơ khí của máy với trục Z được làm từ vật liệu thép C45 và hợp kim nhôm Kết quả phân tích cung cấp hình ảnh ứng suất và chuyển vị của hệ cơ khí, cụ thể là ở hình 2.6, 2.8 cho ứng suất và hình 2.7, 2.9 cho chuyển vị.
Màu sắc trong hệ cơ thể hiện phân bố ứng suất và chuyển vị, với màu xanh da trời chỉ ra mức ứng suất và chuyển vị thấp nhất, trong khi màu đỏ biểu thị mức cao nhất Cụ thể, màu đỏ tương ứng với ứng suất từ 0,5 MPa trở lên và chuyển vị từ 0,02 mm trở lên.
Ở vị trí chính giữa trục X, chuyển vị của thép C45 là 0,02 mm, trong khi hợp kim nhôm chỉ có chuyển vị 0,005 mm Sự thay đổi vật liệu ở trục Z đã cải thiện đáng kể độ cứng vững, đồng thời giảm thiểu sai số do độ cứng vững gây ra.
▪ Có thể thấy ứng suất và chuyển vị như vậy cần có các biện pháp để hạn chế ứng suất và chuyển vị trên hệ cơ của máy
2.2.2 Ứng suất và chuyển vị khi trục Z nằm bên phải trục X a Đối với trục Z được làm bằng thép C45
Hình 2.9 Chuyển vị hệ cơ khí khi trục Z bằng hợp kim nhôm
▪ Phân tích ứng suất theo thuyết bền Von Mises Stress
Hình 2.10 Phân bố ứng suất hệ cơ khí khi trục Z bằng thép C45
Hình 2.11 Chuyển vị hệ cơ khí khi trục Z bằng thép C45
- Mô phỏng tương tự đối với các trường hợp trên khi trục X nằm ở phía bên phải trục X gần với trục Y nhất
Tải trọng lớn nhất tác động lên trục X dẫn đến ứng suất và chuyển vị lớn nhất, với giá trị chuyển vị vượt quá 0,02 mm Điều này gây ra sai số trong kết quả đo, đặc biệt là trong các thiết bị đo độ chính xác cao, do đó cần được giải quyết Trục Z được chế tạo từ hợp kim nhôm.
▪ Phân tích ứng suất theo thuyết bền Von Mises Stress
Hình 2.12 Phân bố ứng suất hệ cơ khí trục Z làm bằng hợp kim nhôm
Việc đặt trục Z lệch về một phía so với trục X dẫn đến độ võng, góc xoay và chuyển vị lớn cho các trục X và Y Chuyển vị của trục Z, được thể hiện bằng màu đỏ, rất lớn so với vị trí ban đầu Tuy nhiên, chúng ta không xem xét chuyển vị này vì nó chủ yếu do hệ cơ đỡ trục Z nghiêng gây ra, không phải do ứng suất Do đó, mặc dù chuyển vị lớn, trục Z vẫn giữ trạng thái vuông góc với bàn đá granite.
Khi thay thế trục Z bằng hợp kim nhôm thay vì thép C45, ứng suất và chuyển vị trên trục X và trục Y giảm rõ rệt, tuy nhiên vẫn còn lớn so với thiết bị đo chính xác cao Cụ thể, chuyển vị tối đa trên trục Y vẫn đạt 0,01 mm.
Để khắc phục vấn đề, chúng ta cần tiếp tục sử dụng phương pháp truyền thống là đặt đối trọng lên xe X và siết bu lông tại các đệm khí Sau đó, thực hiện các thử nghiệm để đảm bảo đạt được độ song song và vuông góc cần thiết.
Kết quả đạt được là lực xiết lên các bulong giảm rõ rệt, giúp đảm bảo khe hở đệm khí và tránh hiện tượng kẹt đệm khí trong quá trình dẫn động Đồng thời, cụm trục Z và xe X cũng trở nên nhẹ hơn, cụ thể là trọng lượng trục Z giảm từ 7kg xuống còn 3,7kg Hệ cơ được dẫn động nhẹ nhàng hơn, góp phần giảm bớt độ nghiêng của cụm xe Y trục Z.
Mặc dù đã hoàn thành mô phỏng tính toán và xác định chuyển vị của máy đo tọa độ tự thiết kế, nhưng do mạch đọc tín hiệu thước kính không đáp ứng kịp thời với tốc độ xử lý tín hiệu đo, nên không thể tiến hành thực nghiệm để đánh giá kết quả mô phỏng.
Hình 2.13 Chuyển vị hệ cơ khí khi trục Z bằng hợp kim nhôm
Khi lực quán tính do sự chênh lệch giữa tốc độ di chuyển và tốc độ đo tác động, nó gây ra sai số động lực học, một loại sai số ngẫu nhiên và biến đổi không có quy luật Việc mô hình hóa chính xác sai số này là rất khó khăn, đặc biệt khi thực hiện các phép đo ở tốc độ cao Cụ thể, tại tốc độ 50 mm/s, kết quả đo căn mẫu 100 mm đã sai lệch tới 0,008 mm, vượt quá độ chính xác thiết kế của máy là 0,0034 mm cho chiều dài đo 100 mm.
Kết quả mô phỏng trên phần mềm Inventor cho thấy việc thay đổi vật liệu chế tạo các trục máy đo 3 tọa độ giúp tăng độ cứng vững, giảm chuyển vị từ 0,02 mm xuống 0,005 mm, từ đó giảm sai số do độ không cứng vững ảnh hưởng đến độ chính xác của máy Tuy nhiên, cần thực hiện các phép đo để kiểm tra độ chính xác của máy trước và sau khi thay đổi vật liệu, nhằm đánh giá chính xác kết quả mô phỏng.
Để xác định độ chính xác của máy đo 3 tọa độ, cần thiết phải thực hiện các thực nghiệm nhằm khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của yếu tố chuyển vị và tải trọng tĩnh Từ những kết quả này, nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phát triển giải pháp bù sai số trên phần mềm đo Nội dung này sẽ được trình bày chi tiết trong chương tiếp theo.
ẢNH HƯỞNG CỦA CHUYỂN VỊ ĐẾN KẾT QUẢ ĐO
Phương pháp kiểm tra độ chính xác
Mục đích của việc kiểm tra độ chính xác của máy đo 3 tọa độ là để đánh giá độ chính xác của kết quả đo và xem xét các yếu tố có thể ảnh hưởng đến độ chính xác này.
Hiện nay, thường sử dụng một trong số các hệ thống tiêu chuẩn theo bảng 3.1 để đánh giá độ chính xác của máy đo 3 tọa độ
Bảng 3.1 Một số hệ thống tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác máy đo 3 tọa độ
STT Quốc gia Kí hiệu
Các hệ thống tiêu chuẩn trên thường sử dụng các phương pháp sau:
Phương pháp hiệu chỉnh sai số đầu đo trước khi sử dụng máy là sử dụng khối cầu làm từ vật liệu cứng như sứ hoặc đá ruby, với độ cứng tối thiểu 58HRC.
Phương pháp giao thoa kế laser cho phép xác định các đặc tính hình học và động học của máy, cũng như vị trí đầu đo, thông qua việc đo chu trình dịch chuyển của tia laser.
Phương pháp so sánh tọa độ ba chiều cho phép đánh giá 21 thông số của máy đo 3 tọa độ thông qua việc so sánh tọa độ của nó với một máy chuẩn.
- Phương pháp sử dụng các vật mẫu chuẩn như: ball bar, step gauges hay gauge blocks
Phương pháp sử dụng vật mẫu mang lại nhiều ưu điểm như dễ thực hiện, thời gian tiến hành nhanh chóng và khả năng đánh giá độ chính xác của máy đo 3 tọa độ thông qua việc phân tích sai lệch kích thước căn mẫu.
25 thực tế của mình, tác giả chọn phương pháp kiểm tra độ chính xác của máy đo 3 tọa độ bằng gauge block và step gauges theo tiêu chuẩn ISO.
Thiết kế sơ đồ đo
Mục đích thiết kế sơ đồ đo là để có phương án đo kích thước của căn mẫu
Từ kết quả đo thu được sẽ xác định được độ chính xác của máy đo 3 tọa độ và ảnh hưởng của chuyển vị tới kết quả đo
Hiện nay, có hai phương pháp xác định chiều dài căn mẫu: sử dụng công cụ đo khoảng cách và không sử dụng công cụ đo Dù áp dụng phương pháp nào, chiều dài L được tính bằng cách đo khoảng cách giữa một điểm trên mặt đo căn mẫu và hình chiếu của điểm đó trên mặt đo đối diện.
Việc không sử dụng công cụ đo khoảng cách yêu cầu phải thiết lập các mặt căn mẫu song song với các trục của máy đo 3 tọa độ Điều này nhằm đảm bảo rằng phương đo trùng khớp với phương của thước kính Tuy nhiên, việc thực hiện bước này gặp nhiều khó khăn.
Hình 3.1 Sơ đồ đo khi không dùng công cụ đo khoảng cách
Hình 3.2 Sơ đồ đo khi dùng công cụ đo khoảng cách
26 luôn tồn tại sai số cosin, nên đo kích thước bằng công cụ đo khoảng cách thường được áp dụng vì rất dễ dàng thực hiện
Việc xác định chiều dài căn mẫu liên quan đến việc tính toán khoảng cách từ một điểm đến một mặt phẳng Khi tác giả sử dụng công cụ đo khoảng cách, quá trình này trở nên chính xác và hiệu quả hơn.
Khoảng cách từ một điểm đến một mặt phẳng trong phần mềm đo được xác định bằng khoảng cách giữa hai điểm: điểm B và hình chiếu của điểm B lên mặt phẳng (A) Trong đó, điểm B nằm trên mặt đo, còn mặt phẳng (A) được tạo thành từ ba điểm không thẳng hàng nằm trên mặt đo đối diện.
Khoảng cách giữa 2 điểm trong không gian có 4 loại: khoảng cách theo mặt
XY, ZY, ZX khi dùng phép chiếu phần tử lên mặt phẳng chiếu: mặt XY, mặt ZY, mặt ZX và khoảng cách không gian XYZ (Hình 3.5)
3.2.1 Phép chiếu phần tử lên mặt phẳng chiếu
Trong việc đo tọa độ theo tiêu chuẩn này, trước tiên cần thiết lập hệ tọa độ cho vật đo, sau đó sử dụng tập dữ liệu tọa độ để thu được kết quả đo chính xác.
Trong bản vẽ kỹ thuật, các mặt phẳng hình chiếu bao gồm mặt phẳng chiếu đứng, mặt phẳng chiếu bằng và mặt phẳng chiếu cạnh Trong hệ tọa độ, chúng được gọi là mặt phẳng XY, mặt phẳng YZ và mặt phẳng ZX, được xác định bởi các cặp trục X, Y và Z.
Z Các phần tử 2 chiều (như đường tròn và đường thẳng) sẽ chiếu lên mỗi mặt phẳng giống như trên bản vẽ thiết kế, phép đo sẽ thực hiện sau khi chọn hướng chiếu
Hình 3.4 Các khoảng cách giữa hai điểm trong không gian
Hình 3.3 Khoảng cách 2 điểm trong không gian
Mặt phẳng tham chiếu Oxy là chuẩn mực để điều chỉnh độ nghiêng của phôi trên máy đo 3 tọa độ, đồng thời hỗ trợ trong các tính toán không gian 2 chiều như đường thẳng và hình tròn, phục vụ cho công tác đo đạc chính xác.
Khi đo một vòng tròn, việc tính toán từng phần tử chỉ được thực hiện sau khi các điểm đầu vào đã được chiếu lên mặt phẳng chiếu Nếu mặt phẳng chuẩn không được xác định rõ ràng trong các phép đo 2 chiều, kết quả thu được có thể không chính xác.
Do đó, trong việc thiết lập một phần hệ tọa độ, điều cần thiết là thực hiện thiết lập mặt phẳng chuẩn là bước đầu tiên của phép đo
3.2.2 Hệ trục tọa độ của máy và hệ trục tọa độ của vật
Trong đo lường bằng máy đo tọa độ có 2 loại hệ tọa độ:
Hệ trục tọa độ của máy (Machine Coordinate System - MCS) là hệ thống tọa độ được thiết lập sẵn, với vị trí điểm gốc được gọi là Home Position Trong hệ thống này, các vector chỉ phương của trục Ox, Oy, Oz song song với trục chuyển động của máy đo ba tọa độ, giúp xác định chính xác vị trí và hướng di chuyển của máy.
Hệ trục tọa độ của vật (Part Coordinate System - PCS) là một hệ thống được thiết lập nhằm xác định chuẩn tham chiếu cho các kích thước đo của sản phẩm theo bản vẽ thiết kế PCS được xây dựng dựa trên khung tham chiếu đơn giản, với các vị trí được chỉ định rõ ràng trên bản vẽ và có thể dễ dàng xác định trên vật.
Hình 3.5 Phép chiếu điểm đo lên mặt phẳng tham chiếu
Hệ trục tọa độ đề cập ở đây là hệ trục tọa độ Oxyz Và cần 3 yếu tố để xác định đó là
- Mặt phẳng tham chiếu hay mặt phẳng Oxy
- Trục tham chiếu (thuộc mặt phẳng tham chiếu)
- Gốc tham chiếu (của trục tham chiếu)
Máy đo CMM được thiết lập với hệ trục MCS để thực hiện việc đo kích thước của vật theo hệ quy chiếu trong bản vẽ Để đảm bảo tính chính xác, cần xây dựng mối tương quan giữa hệ trục của máy đo và hệ trục của vật cần đo Điều này đồng nghĩa với việc cần thiết lập hệ trục PCS trên máy CMM từ hệ trục MCS, nhằm mục đích đo lường các kích thước một cách chính xác.
3.2.3 Chọn mặt phẳng tham chiếu
• Trường hợp 1: Mặt phẳng tham chiếu vuông góc với 2 mặt đo căn mẫu (hình 3.6)
Thực hiện phép đo theo sơ đồ đo (hình 3.2) thu được kết quả đo:
Hình 3.6 Hệ trục tọa độ của vật cho trường hợp 1
29 Ở trường hợp này, mặt phẳng (A) hay “PlaneY” được tạo ra ở bước (1), mục 3.3.6, bị nghiêng so với các mặt phẳng chiếu (XY, ZY, ZX) do lỗi mỗi điểm đo ở bước (1)
- A = 179º57’50’’ là góc giữa vector chỉ phương trục 𝑂 ′ 𝑥 và 𝑂⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ′ 𝑃 0
- B = 89º59’47’’ là góc giữa vector chỉ phương trục 𝑂 ′ 𝑦 và 𝑂⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ′ 𝑃 0
- A = 89º57’51’’ là góc giữa vector chỉ phương trục 𝑂 ′ 𝑧 và 𝑂⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ′ 𝑃 0
- L = 0,002 mm là khoảng cách từ điểm gốc tọa độ 𝑂 ′ đến mặt phẳng (A)
Như vậy, việc mặt phẳng (A) bị nghiêng một góc so với các mặt phẳng chiếu (XY,
Mặt phẳng (A) không trùng với mặt đo căn mẫu ZY, dẫn đến sự khác biệt trong kết quả đo khi chiếu lên các mặt phẳng khác nhau Cụ thể, chiều dài căn mẫu chiếu theo mặt XY là 99,996 mm, trong khi đo chiếu theo mặt ZX cho kết quả là 99,998 mm.
=> Không sử dụng cách gắn hệ tọa độ vật trên
• Trường hợp 2: Mặt phẳng tham chiếu là mặt đo căn mẫu (hình 3.8)
Hình 3.7 Kết quả đo căn mẫu ở trường hợp 1
Thực hiện phép đo theo sơ đồ đo (hình 3.2), thu được kết quả đo:
Hình 3.8 Kết quả đo chiều dài ở trường hợp 2 Hình 3.9 Hệ trục tọa độ của vật cho trường hợp 2
Trong trường hợp này, mặt phẳng (A) được xem là mặt phẳng tham chiếu cho hệ tọa độ của vật, do đó không cần tạo mặt phẳng (A) mới Chiều dài căn mẫu sẽ được chuyển đổi thành khoảng cách từ điểm B đến mặt phẳng tham chiếu của hệ tọa độ vật (𝑂 ′ 𝑥 ′ 𝑦 ′).
Ví dụ: khoảng cách từ điểm B đến mặt phẳng (A) hay (1)Plane khi chiếu theo các mặt phẳng chiếu (project plane) đều bằng hiệu số của tọa độ Z của điểm
B và hình chiếu của điểm B lên mặt phẳng (1)Plane
=> Hệ trục tọa độ vật trên đáp ứng được yêu cầu đo chiều dài căn mẫu.
Thực nghiệm đo chuẩn bậc bằng máy đo tọa độ Hexagon Global I 071070
Phần thực nghiệm này được thực hiện tại Phòng đo lường chiều dài, ở Viện đo lường Việt Nam a Mục đích và sơ đồ đo
- Tính toán sai số của phép đo chiều dài trên máy đo 3 tọa độ
Để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác, chúng ta áp dụng sơ đồ đo chiều dài chuẩn bậc đã thiết kế Sơ đồ này bao gồm 06 bậc: 100, 200, 300, 400, 500 và 600, được gá trên đồ gá chuẩn b Thiết bị thí nghiệm sẽ được sử dụng để thực hiện quá trình đo lường.
Hình 3.10 Sơ đồ đo khi đo chuẩn bậc
Bảng 3.2 Các phương tiện đo sử dụng
STT Tên phương tiện đo Đặc trưng kỹ thuật đo lường cơ bản
1.2 Máy đo 3 tọa độ DEA
2.1 Thiết bị đo nhiệt độ
- Độ chính xác: 0,03% giá trị đo ± 4 digit
2.2 Thiết bị đo độ ẩm - Phạm vi đo: (40 ÷ 100) ˚C
Dung dịch làm sạch chuyên dụng, khăn lau chuyên dụng…
Hình 3.11 Bố trí thực nghiệm đo chuẩn bậc
Khi tiến hành thí nghiệm, phải đảm bảo điều kiện môi trường sau đây:
- Độ ẩm: (40 ÷ 60) %RH c Chuẩn bị thí nghiệm Đối với chuẩn bậc
- Vệ sinh sạch sẽ chuẩn bậc bằng dung dịch, khăn lau chuyên dụng
- Chuẩn bậc được đặt trên máy đo 3 tọa độ để ổn định nhiệt độ trước khi đo ít nhất 4h Đối với thiết bị đo
1 Khởi động máy tọa độ
2 Làm sạch đầu đo và bàn đo của máy đo 3 tọa độ bằng khăn lau chuyên dụng, để ổn định trước khi tiến hành đo ít nhất 1h
3 Khởi động phần mềm đo, khai báo dữ liệu của chuẩn bậc d Trình tự đo
Để đặt căn mẫu chính xác, trước tiên, cần đo ba điểm không thẳng hàng trên mặt phẳng chiếu của chuẩn bậc, trong đó một điểm nằm ở vị trí giữa và hai điểm cách mép 1,5mm Từ ba điểm này, sử dụng phần mềm đo để xây dựng mặt phẳng A Cuối cùng, xác định vị trí giữa mặt phẳng đo đối diện với mặt phẳng chiếu để hoàn thiện quy trình.
𝐿 1 = 100 𝑚𝑚, đo một điểm và tính khoảng cách từ điểm đó đến mặt phẳng
A bằng phần mềm đo, thu được giá trị đo chiều dài 𝑙 11 c) Lặp lại bước (c) cho các chiều dài 200, 300, 400, 500, 600 mm, để thu được
𝑙 12 … 𝑙 16 d) Lắp sensor nhiệt vào chuẩn bậc để tiến hành bù giãn nở nhiệt e) Lặp lại bước (a) đến (c) thu được giá trị đo 𝑙 21 … 𝑙 26 , và kết quả thu được ở bảng 3.3
** Các phép đo được thực hiện tự động để loại bỏ sai số do kỹ năng của người đo
Hình 3.12 Trình tự đo chuẩn bậc bằng máy đo 3 tọa độ
Bảng 3.3 Kết quả đo chiều dài (100 - 600) mm bằng máy đo 3 tọa độ DEA
Khi chưa bù nhiệt độ
(mm) Khi bù nhiệt độ (mm)
Biểu diễn số liệu đo dưới dạng đồ thị đường
Trong điều kiện lý tưởng, máy đo 3 tọa độ cho kết quả chiều dài với sai số tăng dần từ 0,8 µm đến 1,9 µm khi đo từ 100 mm đến 600 mm Tuy nhiên, sai lệch kết quả đo trên máy đo Hexagon luôn thấp hơn giá trị sai lệch chiều dài lớn nhất, được xác định bởi công thức (𝐸 0 = 1,7 + 𝐿/333 (𝜇𝑚)).
Việc bù nhiệt độ giữa nhiệt độ phòng đo và tiêu chuẩn 20ºC là rất quan trọng khi sử dụng máy đo 3 tọa độ, nhằm đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường.
Hình 3.13 Đồ thị sai số khi đo chiều dài 100 – 600 mm bằng máy đo DEA
35 đo 100 mm, sai số do nhiệt độ là 0,3 àm Sau đú tăng dần và đạt giỏ trị lớn nhất 1 àm ở chiều dài đo 600 mm.
Thực nghiệm đo căn mẫu trên máy đo tọa độ Mitutoyo Crysta – Apex
Tác giả đã sử dụng máy đo 3 tọa độ Mitutoyo tại Phòng thí nghiệm hệ thống đo lường C5 -213, Đại học Bách Khoa Hà Nội nhằm thực hiện các phép đo chính xác Mục đích của việc đo lường này là để đảm bảo chất lượng và độ chính xác của các sản phẩm trong quá trình sản xuất Sơ đồ đo được thiết lập rõ ràng để hỗ trợ cho việc thực hiện các phép đo một cách hiệu quả và chính xác.
Khi sử dụng máy đo 3 tọa độ Mitutoyo để xác định chiều dài căn mẫu với kích thước 25, 50 và 100 mm, việc sai lệch trong đo đạc có thể xảy ra Nghiên cứu này sẽ xem xét ảnh hưởng của chuyển vị đến kết quả đo, từ đó cung cấp cái nhìn sâu sắc về độ chính xác của quá trình đo.
- Tính toán độ không đảm bảo đo của phép đo chiều dài
Áp dụng sơ đồ đo đã thiết kế trong mục 3.2, chúng ta có thể sử dụng sơ đồ đo để thực hiện phép đo căn mẫu song phẳng bằng máy đo 3 tọa độ Mitutoyo Thiết bị thí nghiệm này cho phép thực hiện các phép đo chính xác và hiệu quả.
Hình 3.15 Sơ đồ đo căn mẫu song phẳng Hình 3.14 Bố trí thực nghiệm
Bảng 3.4 Các phương tiện đo được sử dụng
STT Tên phương tiện đo Đặc trưng kỹ thuật đo lường cơ bản
1 3 căn mẫu song phẳng - Chiều dài: 25, 50, 100 mm
2 Máy đo 3 tọa độ Mitutoyo
𝐸 0 = (2,5 + 𝐿/250) 𝜇𝑚 theo tính sơ bộ, khi L = 500 mm, thỡ E0 đó là 4,5 àm
3 Thiết bị đo nhiệt độ - Phạm vi đo: (0 -50) ℃
4 Thiết bị đo độ ẩm
Dụng cụ làm sạch chuyên dụng, khăn lau chuyên dụng…
* Khi tiến hành thí nghiệm, phải đảm bảo điều kiện môi trường sau đây:
Hiệu chuẩn căn mẫu song phẳng
Các căn mẫu sử dụng trong thí nghiệm này được sản xuất từ năm 1997 nên cần được hiệu chuẩn trước khi sử dụng
• Tên phương tiện đo: Căn mẫu song phẳng
• Cơ sở sản xuất: Mitutoyo
• Phương pháp thực hiện: đo so sánh
• Điều kiện môi trường: Nhiệt độ: (20 ± 0,5) ˚C Độ ẩm: (55 ± 5)%RH
• Địa điểm thực hiện: Viện Đo lường Việt Nam
1 Kiểm tra bên ngoài: Đạt
2 Kiểm tra kỹ thuật: Đạt
Bảng 3.5 Kết quả hiệu chuẩn căn mẫu tại Viện đo lường Việt Nam
Kích thước danh nghĩa (mm)
Số serial Độ lệch kích thước giữa (àm) Độ song song giữa 2 mặt đo (àm)
- Khởi động máy đo 3 tọa độ
- Đặt sensor nhiệt độ lên căn mẫu
- Làm sạch đầu đo, bàn đo và căn mẫu bằng khăn lau và dung dịch chuyên dụng, ổn định trước khi tiến hành ít nhất 1h
Trước khi tiến hành đo, hãy khởi động phần mềm và khai báo dữ liệu chuẩn của căn mẫu Đặt căn mẫu ở vị trí giữa, dọc theo trục X của máy đo 3 tọa độ và kẹp chặt để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo.
Xác định chiều dài căn mẫu được thực hiện trên các bước sau:
1 Đo 3 điểm không thẳng hàng (trong đó một điểm nằm giữa và 2 điểm còn lại cách mép khoảng 1,5 mm) trên một mặt đo của căn mẫu 𝐿 1 = 25 𝑚𝑚, tạo mặt phẳng (A) từ 3 điểm trên bằng phần mềm đo (hình 3.14)
2 Đo 1 điểm (B) ở giữa nằm trên mặt đo, đối diện với mặt đo ở bước (1) và tính khoảng cách điểm đó đến mặt phẳng A bằng phần mềm đo Giá trị thu được chính là kết quả đo căn mẫu 𝐿 1 = 25 𝑚𝑚 bằng máy đo 3 tọa độ
3 Lặp lại bước (2) thêm 6 lần với 6 điểm khác nhau, lần lượt thu được kết quả đo căn mẫu 𝐿 1 = 25 𝑚𝑚 Như vậy, một căn mẫu sẽ được đo ở 7 vị trí khác nhau, lặp lại 3 lần và nhận 21 phép đo trên căn mẫu 𝐿 1 = 25 𝑚𝑚
4 Thay thế căn mẫu 𝐿 2 = 50 𝑚𝑚 và 𝐿 3 = 100 𝑚𝑚 và lặp lại các bước từ “1” đến “4” sẽ nhận được tổng số 63 phép đp trên 3 căn mẫu theo phương trục
5 Lặp lại bước (1) đến (4) với các phương theo trục Y, trục Z, xác định được
189 kết quả đo chiều dài 3 căn mẫu
38 e Kết quả đo căn mẫu
Mỗi 1 trong 3 căn mẫu sẽ được đo ở 7 điểm, theo 3 vận tốc di chuyển khác nhau (lần 1: 8 mm/s; lần 2: 12 mm/s; lần 3: 20 mm/s), theo phương song song với
3 trục, thu được 189 kết quả đo được trình bày trong phần Phụ lục
Bảng 3.6 Kết quả trung bình đo căn mẫu trên máy đo 3 tọa độ
Biểu diễn kết quả đo căn mẫu theo 3 phương dưới dạng đồ thị
Hình 3.16 Biểu đồ sai lệch chiều dài khi đo căn mẫu theo phương Ox
Khi tốc độ di chuyển nhanh tăng dần từ 8 mm/s lên 20 mm/s, tần suất xuất hiện giá trị đo có sai số lớn hơn cũng tăng theo
+ Theo công bố của hãng Mitutoyo: (2,5+4L/1000) μm
Hình 3.17 Biểu đồ sai lệch chiều dài khi đo căn mẫu theo phương Oy
Hình 3.18 Biểu đồ sai lệch chiều dài khi đo căn mẫu theo phương Oz
Độ không đảm bảo đo của phép đo chiều dài với phôi chưa hiệu chuẩn 40 CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Theo ISO GUM và ISO 14253, việc đánh giá sự phù hợp với đặc điểm kỹ thuật cần xem xét độ không đảm bảo đo Máy đo tọa độ (CMM) là thiết bị linh hoạt, đo nhiều điểm trên phôi để xây dựng các yếu tố liên quan như hình tròn và mặt phẳng Từ đó, các kết quả đo như sai lệch hình dạng, vị trí và kích thước được rút ra và so sánh với dung sai thiết kế Đánh giá độ không đảm bảo đo cho các thông số này rất phức tạp do nhiều yếu tố không đảm bảo Một nguồn quan trọng của độ không đảm bảo là bản thân phôi, với sai lệch hình thức và việc lấy mẫu hạn chế, đây là những yếu tố khó định lượng và thường không được tính đến.
Thành phần độ không đảm bảo đo cho máy CMM
- Phôi: sai lệch hình dạng, độ nhám, độ uốn dẻo, kẹp, trọng lượng, nhiệt độ
- Phần cứng: lỗi đầu đo, lỗi hình học CMM, lỗi thước kính, lỗi nhiệt
- Phương pháp đo: số lượng và phân bố các điểm, tốc độ đo
- Phương pháp đánh giá: căn chỉnh, thuật toán
Kỹ thuật xác định độ không đảm bảo đo CMM
Khi kết quả đo Y có thể được biểu diễn dưới dạng hàm phân tích 𝑦 = 𝑓(𝑋1, 𝑋2, …, 𝑋𝑁), với đầu vào là 𝑋𝑖, độ không đảm bảo đo có thể được đánh giá theo tiêu chuẩn ISO GUM Tuy nhiên, đối với máy đo 3 tọa độ, việc xây dựng mô hình phân tích cho quá trình đo là không khả thi Do đó, cần áp dụng các phương pháp khác để xác định độ không đảm bảo đo cho CMM, nhiều phương pháp trong số đó cũng đã được mô tả trong tiêu chuẩn ISO.
TS 15530 Các phương pháp thường được sử dụng là:
- Dùng nhiều phương pháp đo khác nhau
- Dùng phôi đã được hiệu chuẩn (ISO / TS 15530-3)
- Dùng mô phỏng máy tính (ISO / TS 15530-4)
- Dùng đánh giá của chuyên gia
Phương pháp đầu tiên cho phép đánh giá độ không đảm bảo đo một cách đáng tin cậy nhờ vào cách tiếp cận thực nghiệm, mặc dù dễ thực hiện nhưng tốn thời gian Việc sử dụng mô phỏng máy tính yêu cầu nỗ lực đáng kể nhưng có thể mang lại lợi ích lớn Đối với độ phức tạp của phép đo CMM, đánh giá của chuyên gia không phải lúc nào cũng đáng tin cậy, tuy nhiên vẫn được khuyến nghị khi không có phương pháp thay thế nào khác.
Nguyên tắc cơ bản của phương pháp xác định độ không đảm bảo đo theo ISO GUM là thực hiện nhiều phép đo theo cùng một trình tự nhưng thay đổi vị trí và phương đo trong vùng làm việc của máy đo 3 tọa độ Phân tích kết quả dựa trên độ lệch chuẩn của đối tượng đo, từ đó tách biệt hai thành phần của độ không đảm bảo đo.
Độ lặp lại có ảnh hưởng quan trọng đến phép đo khi kết hợp với việc phân bố các điểm đo, cũng như sai lệch hình dạng và độ nhám của bề mặt đối tượng đo (urep) Sự đồng nhất trong các phép đo giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy, trong khi các yếu tố như độ nhám và hình dạng có thể gây ra sai số trong kết quả Việc hiểu rõ mối quan hệ này là cần thiết để tối ưu hóa quy trình đo lường và đảm bảo kết quả đáng tin cậy.
• Ảnh hưởng của sai số hình học liên quan đến ảnh hưởng của quá trình kiểm tra chất lượng đầu đo (ugeo)
Trong trường hợp đại lượng đo được là khoảng cách hoặc vị trí, ba thành phần khác của độ không đảm bảo đo được xác định thêm:
Sai số trung bình trong đo độ dài được xác định trong quá trình chuẩn độ dài, bao gồm cả độ không đảm bảo của việc hiệu chuẩn và độ lặp lại của các phép đo.
Sai số trung bình của đường kính đầu đo và độ lệch chuẩn liên quan đến sai số đó là những yếu tố quan trọng trong việc xác định độ không đảm bảo đo của đặc tính đối tượng Những thông số này được xem như là thành phần hệ thống trong quy trình đo lường, giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của kết quả.
Độ không đảm bảo đo do ảnh hưởng của nhiệt độ được xác định dựa trên độ giãn nở nhiệt của máy đo tọa độ và đối tượng đo Sự thay đổi nhiệt độ có tác động lớn nhất đến kết quả đo (utemp), vì vậy việc kiểm soát nhiệt độ là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường.
Kết quả cuối cùng (ycorr) được tính toán theo công thức ycorr = y – EL – ED PT 3.1, trong đó y đại diện cho giá trị trung bình của kết quả đo từ tất cả các phép đo thực hiện.
EL: Sai số hệ thống khi đối tượng đo được là độ dài
ED: Sai số hệ thống khi đầu đo không được kiểm định chất lượng mà chỉ được xác định trong hệ thống
Trong trường hợp đo căn mẫu song phẳng:
𝐿 𝑚𝑒𝑎𝑠𝑠𝑡𝑑 : giá trị trung bình tất cả các phép đo căn mẫu
𝐿 𝑐𝑎𝑙𝑠𝑡𝑑 : giá trị chính xác của chiều dài căn mẫu (được ghi trong chứng chỉ hiệu chuẩn)
L: kích thước danh nghĩa của căn mẫu
Trong trường hợp đo vòng chuẩn trơn:
D: đường kính trung bình từ tất cả các phép đo
Dcalstd là giá trị chính xác của đường kính vòng chuẩn, được ghi trong chứng chỉ hiệu chuẩn Độ không đảm bảo mở rộng đo được xác định theo công thức cụ thể.
Trong đó k: hệ số phủ (thường k=2)
𝑢 𝑟𝑒𝑝 : thành phần độ không đảm bảo đo liên quan với độ lặp lại, được xác định bởi công thức:
∑( 𝑆 𝑗 ) PT 3.3 trong đó n1: số lần lặp lại phép đo theo một phương đo n2: số phương đo
𝑗𝑆: độ lệch chuẩn của giá trị trung bình đối với phương đo thứ j
𝑖: kết quả đo thứ i ở phương đo thứ j
𝑗𝑦: giá trị trung bình đối với phương đo thứ j
𝑢 𝑔𝑒𝑜 : thành phần độ không đảm bảo liên quan đến độ tái lập của phép đo
𝑢 𝐷 : Độ không đảm bảo đo của hiệu chuẩn bán kính đầu được xác định bởi:
𝑈 𝑐𝑎𝑙𝑠𝑡𝑑𝐷 : Độ không đảm bảo của hiệu chuẩn chuẩn được đọc từ chứng chỉ hiệu chuẩn k: hệ số phủ đưa ra trong chứng chỉ hiệu chuẩn (thường là k = 2)
𝑢 𝑚𝑒𝑠𝑠𝑡𝑑𝐷 : Độ không đảm bảo do độ lặp lại của phép đo đường kính chuẩn của tất cả kết quả đo trên
𝑈 𝑐𝑎𝑙𝑠𝑡𝑑𝐿 : Độ không đảm bảo của việc hiệu chuẩn căn mẫu (thường là k = 2)
𝑢 𝑚𝑒𝑠𝑠𝑡𝑑𝐿 : Độ không đảm bảo đo độ lặp lại khi đo chiều dài căn mẫu
𝑢 𝑡𝑒𝑚𝑝 : độ không đảm bảo của thay đổi chiều dài do ảnh hưởng của nhiệt độ
- Thành phần độ không đảm bảo đo do nhiệt độ 𝑢 𝑇 , được tính theo công thức sau:
𝑢 𝑇 là độ khụng đảm bảo đo do nhiệt độ, tớnh bằng àm; α là hệ số dón nở nhiệt của vật liệu, tớnh bằng àm/mm o C;
L là chiều dài đo, tính bằng mm; u(t) là độ không đảm bảo đo của thiết bị đo nhiệt độ
- Thành phần độ không đảm bảo đo do hệ số giãn nở nhiệt 𝑢 𝛼 được tính theo công thức:
𝑢 𝛼 là độ không đảm bảo đo do hệ số dãn nở nhiệt của máy công cụ, tính bằng micromột (àm)
∆T là chênh lệch nhiệt độ so với 20 o C, tính bằng độ ( o C), ∆T = T – 20 o C
L là chiều dài đo, tính bằng milimét (mm) u(α) là độ khụng đảm bảo đo của hệ số gión nở nhiệt, tớnh bằng àm/mm o C
Do đó, độ không đảm bảo đo của sự thay đổi chiều dài do ảnh hưởng của nhiệt độ bằng:
* Quy định phương đo đối với Đối với chi tiết cần đo:
Theo ISO [17], đối với máy đo tọa độ sử dụng hệ tọa độ Đề - các, phôi cần đo ở 5 vị trí khác nhau, theo 4 phương đo khác nhau (hình 3.19)
• Phương đo 1 hay còn gọi là phương đo cơ sở
• Phương đo 2, xoay phôi một góc 90º theo trục X
• Phương đo 3, xoay phôi một góc 90º theo trục Y
• Phương đo 4, xoay phôi một góc 90º theo trục Z Đối với căn mẫu song phẳng và vòng chuẩn phải đo 7 lần theo 3 phương trục tọa độ của máy
Khi đo kích thước chi tiết dạng hộp có kích thước thiết kế 100±0,01mm, cần xác định độ đảm bảo đo Căn mẫu song phẳng 100mm có kích thước thực là 99,99964mm, và quá trình đo được thực hiện trên máy đo Mitutoyo S544 Tuy nhiên, do chưa có vòng chuẩn nên chưa thể xác định kết quả độ không đảm bảo đo bán kính đầu đo (𝑢 𝐷).
Hình 3.19 Phương đo theo tiêu chuẩn ISO [17]
Bảng 3.7 Kết quả đo kích thước phôi hình hộp (mm)
Phương đo 1 Phương đo 2 Phương đo 3 Phương đo 4
Bảng 3.8 Kết quả đo kích thước căn mẫu song phẳng 100 mm
Phương đo 1 Phương đo 2 Phương đo 3
Lần lượt áp dụng công thức (PT3.3, PT3.5, PT 3.6) thu được Độ không đảm bảo đo do sai số hình học của máy là
𝑢 𝑔𝑒𝑜 =0,0002 mm Độ không đảm bảo đo do độ lặp lại là:
𝑢 𝑟𝑒𝑝 = 0,0008 mm Sai số hệ thống của phép đo chiều dài chuẩn là:
𝐸 𝐿 = 4,3 àm Độ không đảm bảo đo của phép đo chiều dài chuẩn do độ lặp lại là:
𝑢 𝑚𝑒𝑎𝑠𝑠𝑡𝑑 = 0,0002 mm Độ không đảm bảo đo do sự hiệu chuẩn căn mẫu là:
Việc sử dụng cảm biến đo nhiệt độ giúp bù đắp ảnh hưởng của nhiệt độ đến kết quả đo, do đó độ không đảm bảo đo do nhiệt độ được xác định là 𝑢 𝑡𝑒𝑚𝑝 = 0 Độ không đảm bảo đo mở rộng được tính toán dựa trên các yếu tố liên quan.
CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Chuyển vị do lực quán tính và tải trọng tĩnh gây ra các sai số động lực học và độ không cứng vững cho máy đo 3 tọa độ, dẫn đến sai lệch vị trí đầu đo và ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo Việc sử dụng căn mẫu song phẳng hay chuẩn bậc giúp xác định độ chính xác của máy đo 3 tọa độ và các yếu tố gây ra sai lệch kích thước Đề tài đã đạt được những kết quả đáng chú ý trong việc cải thiện độ chính xác của máy đo.
Phân tích các thành phần chuyển vị trên máy đo 3 tọa độ cho thấy rằng thành phần chuyển vị xoay là nguyên nhân chính gây ra sai số, trong khi thành phần chuyển vị tịnh tiến lại gần như không ảnh hưởng đến độ chính xác Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc kiểm soát các thành phần chuyển vị xoay để giảm thiểu sai số trong quá trình đo lường.
- Mô phỏng ứng suất và chuyển vị cho phép người thiết kế chọn vật liệu phù hợp vừa nhẹ vừa đảm bảo độ cứng vững, tránh lãng phí
- Hiệu chuẩn căn mẫu song phẳng số hiệu 974189, 971396, 974177 sẽ được dùng trong các thí nghiệm tiếp theo
Quy trình đo chiều dài căn mẫu trên máy đo 3 tọa độ bao gồm việc xây dựng sơ đồ đo và trình tự đo cụ thể Khi sử dụng kích thước căn mẫu đã được hiệu chuẩn làm tiêu chuẩn so sánh, kết quả cho thấy sai lệch chiều dài lớn nhất ở kích thước 100mm trên máy Mitutoyo là 4, vượt xa so với sai lệch công bố.
❖ Hướng phát triển của đồ án trong tương lai
