TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Lý do ch ọn đề tài, lĩnh vực nghiên cứu
Để đo kích thước đường kính, biên dạng và kiểm tra độ tròn của các chi tiết cơ khí, người ta thường sử dụng các phương pháp đo hai tiếp điểm và ba tiếp điểm với các dụng cụ như panme, thước cặp, đồng hồ so và khối V Tuy nhiên, những phương pháp này chỉ phù hợp với bề mặt không khuyết tật và có năng suất, hiệu quả công việc thấp Chúng không đáp ứng được yêu cầu đo những chi tiết có độ chính xác cao, bề mặt dễ biến dạng, cũng như trong các tình huống cần đo nhanh hoặc khi chi tiết đang chuyển động.
Ngày nay, sự phát triển của khoa học công nghệ đã ứng dụng laser vào đo lường hiện đại, đặc biệt là trong phương pháp quét tia laser (Laser scan micrometer - LSM) Phương pháp này mang lại độ chính xác và năng suất vượt trội so với các phương pháp truyền thống, góp phần nâng cao tự động hóa trong sản xuất, cải thiện chất lượng sản phẩm, tăng năng suất lao động và giảm chi phí sản xuất.
Đề tài “Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng chi tiết sử dụng quét Laser” nhằm mục đích phát triển và ứng dụng phương pháp đo biên dạng cho các chi tiết tròn xoay bằng công nghệ quét laser trong gia công cơ khí hiện đại.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
Hiện nay, các hãng đo lường lớn như Mitutoyo, Keyence, Lab, Santec và Micro-Epsilon đang chú trọng đến việc đo đường kính chi tiết bằng phương pháp quét tia laser, nhưng chưa kiểm soát đầy đủ biên dạng chi tiết Nghiên cứu đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay bằng quét laser mang lại độ chính xác cao, tốc độ đo nhanh và khả năng đo trực tiếp trên dây chuyền sản xuất công nghiệp Đề tài này sẽ làm rõ cơ sở lý thuyết về phương pháp và công nghệ đo dựa trên thiết bị đo, từ đó tạo nền tảng cho việc nghiên cứu, tính toán và xây dựng thiết bị đo thử nghiệm.
Nghiên cứu phương pháp đo chính xác giúp kiểm soát hiệu quả các lỗi biên dạng trong quá trình gia công chi tiết vũ khí đạn, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm trong sản xuất.
Quốc phòng là lĩnh vực đòi hỏi chất lượng cao, nhưng việc mua sắm thiết bị đo công nghệ cao từ nước ngoài gặp nhiều hạn chế.
M ục tiêu của đề tài
Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng chi tiết bằng quét laser cho các chi tiết tròn xoay nhằm phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sai số biên dạng Mục tiêu là làm chủ công nghệ đo và phát triển phương pháp đo phù hợp với điều kiện trong nước.
N ội dung đề tài và các vấn đề cần giải quyết
- Nghiên cứu tổng quan các phương pháp đo biên dạng chi tiết
- Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng sử dụng quét laser
- Nghiên cứu xây dựng thiết bị đo biên dạng sử dụng quét laser
- Thực nghiệm đo trên thiết bị đo
- Nghiên cứu một số ảnh hưởng sai số đo.
Phương pháp nghiên cứu và kết cấu của công trình nghiên cứu
- Thu thập các phương pháp đo lường biên dạng chi tiết trong các tài liệu, sách khoa học
- Tiến hành xây dựng hệ thống thực nghiệm phương pháp đo lường biên dạng chi tiết
- Xây dựng bảng biểu, đồ thị so sánh kết quả
Kết cấu của công trình nghiên cứu:
Luận văn được trình bày thành các chương như sau:
Chương 1 - Tổng quan về đề tài nghiên cứu
Chương 2 - Tổng quan về các phương pháp đo biên dạng tròn chi tiết
Chương 3 - Nghiên cứu phương pháp đảo ngược sử dụng đo biên dạng quét laser Chương 4 - Xây dựng thiết bị và thực nghiệm đo
K ết luận chương 1
Chương 1 giúp tác giả giải quyết được một số vấn đề sau:
- Lý do chọn đề tài nghiên cứu
- Cơ sở khoa học, tính thực tiễn
- Nêu được mục tiêu, các kết quả cần đạt được sau khi thực hiện đề tài, lập nội dung cần thực hiện và các bước được giải quyết
- Xây dựng Nội dung trình bày của đề tài
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG TRÒN CHI TI ẾT
Các phương pháp đo biên dạng
2.1.1 Phương pháp đo tiếp xúc
Phương pháp đo tiếp xúc là kỹ thuật đo lường giữa đầu đo và bề mặt chi tiết, trong đó tồn tại áp lực gọi là áp lực đo Khi sử dụng các dụng cụ đo cơ khí, quang học, điện tiếp xúc, áp lực này giúp ổn định vị trí đo, từ đó mang lại kết quả đo chính xác và ổn định.
Đo tiếp xúc thường sử dụng các dụng cụ chuyên dụng như đồng hồ so, thước panme và thước kẹp Các kích thước đo được sẽ được ghi chép cùng với vị trí tương ứng, từ đó tạo ra bảng số liệu đo Dựa trên bảng số liệu này, biên dạng 2D sẽ được xây dựng thông qua các phần mềm vẽ 2D.
Khi thực hiện đo lường dưới áp lực, không thể tránh khỏi sai số do biến dạng gây ra, đặc biệt là khi đo các chi tiết làm từ vật liệu mềm hoặc trong các hệ thống đo có độ cứng kém.
2.1.1.1 Phương pháp đo hai tiếp điểm
Phương pháp đo hai tiếp điểm là kỹ thuật đo lường trong đó thiết bị đo tiếp xúc với bề mặt chi tiết qua ít nhất hai tiếp điểm Đặc biệt, hai tiếp điểm này phải nằm trên phương biến thiên của kích thước đo 1-1, đảm bảo tính chính xác và đáng tin cậy trong quá trình đo.
Hình 2.1: Phương pháp đo hai tiếp điểm
Trong quá trình đo, cần đảm bảo rằng một tiếp điểm gắn với yếu tố định chuẩn MC và một tiếp điểm gắn với yếu tố đo MĐ Yêu cầu MĐ phải vuông góc với 1-1, trong khi áp lực đo có phương tác dụng trùng với 1-1 Để nâng cao độ chính xác khi đo, việc chọn mặt chuẩn và mặt đo phù hợp với hình dạng bề mặt đo là rất quan trọng, nhằm đảm bảo chi tiết đo ổn định dưới tác động của lực đo Hơn nữa, việc giảm thiểu ảnh hưởng của sai số cũng cần được xem xét.
10 số chế tạo mặt chuẩn và mặt đo cần có thêm các tiếp điểm phụ để làm ổn định thông số đo
2.1.1.2 Phương pháp đo bằng khối V
Phương pháp đo độ tròn bằng khối V là kỹ thuật phổ biến, đặc biệt cho các chi tiết có tần số méo lẻ Chi tiết được đặt lên khối V, tiếp xúc với hai tiếp điểm A và B, trong khi đồng hồ so chạm vào bề mặt chi tiết Phương pháp này có hai dạng: 3 điểm khác phía khi đầu đo và hai tiếp điểm A, B nằm ở các phía đối diện với tâm O của chi tiết, và 3 điểm cùng phía khi cả ba nằm cùng một phía Trong quá trình đo, chi tiết được quay 360º để xác định sai lệch độ tròn bằng công thức m = (x max - x min).
Trong đó: x là chỉ thị của đồng hồ đo, K là tỷ số truyền của khối V
Giá trị chuyển vị của đầu đo (x max−x min) phụ thuộc vào tần số méo của chi tiết và góc α của khối V Để tối ưu hóa góc của khối V, cần lựa chọn sao cho phù hợp với tần số méo theo công thức (2.2), đảm bảo rằng ba điểm: đầu đo và hai tiếp điểm A, B đều nằm trên đường tròn ngoại tiếp nhỏ nhất và đường tròn nội tiếp lớn nhất của chi tiết.
Hình 2.2: Sơ đồ đo độ tròn trên khối V
180 360 α = ° − n ° (2.2) Trong đó: α là góc của khối V n là số cạnh méo của chi tiết
Để ba điểm I, A, B nằm trên cả đường tròn nội tiếp lớn nhất và đường tròn ngoại tiếp nhỏ nhất của chi tiết, các đoạn thẳng OA và OB cần vuông góc với các mặt chuẩn của khối V (OA ⊥ PA và OB ⊥ PB) Xem xét tứ giác OAPB, góc của khối V được tính là α = 180 ° − AOB ˆ, đối với chi tiết có tần số méo là 3.
11 cạnh thì góc AOB ˆ = 120 ° , còn đối với chi tiết méo có tần số n cạnh thì góc ˆ 360
Khi sử dụng khối V để đo, việc xác định số cạnh méo của chi tiết là rất quan trọng để điều chỉnh góc α cho phù hợp Đây là một trong những hạn chế lớn nhất của phương pháp đo này.
Hình 2.3: Chi tiết méo 3 cạnh đo trên khối V
Phương pháp đo sử dụng khối V vẫn phổ biến nhờ thao tác đơn giản và chi phí thấp Tuy nhiên, việc không xác định được tần số méo của chi tiết khi đo dẫn đến kết quả không chính xác Để đảm bảo độ chính xác, cần có bộ gá các góc V chuẩn, vì mỗi góc chỉ phù hợp với một tần số méo nhất định Điều này dễ gây nhầm lẫn trong việc công bố kết quả đo về biên độ và tần số méo, từ đó không cung cấp cái nhìn toàn diện về tiết diện thực của chi tiết.
2.1.1.3 Phương pháp đo bằng máy đo 3 tọa độ
Chi tiết được đặt trên máy đo 3 tọa độ, và đầu đo sẽ kiểm tra các điểm xung quanh chi tiết Từ ba điểm không thẳng hàng, chúng ta có thể xác định một đường tròn Để kiểm tra xem chi tiết có bị méo hay không, cần đo ít nhất bốn điểm; số lượng điểm đo càng nhiều thì độ chính xác của hình dáng thực tế càng cao Dữ liệu tọa độ (x,y,z) từ các điểm đo sẽ được chiếu lên mặt phẳng chuẩn, thường là mặt đầu hoặc mặt vuông góc với đường tâm, để loại bỏ thành phần z, tạo ra bộ tọa độ (x’,y’) Cuối cùng, thuật toán sẽ được sử dụng để xác định tâm của chi tiết từ tọa độ (x’, y’).
Phương pháp đo độ tròn bằng máy đo 3 tọa độ cho kết quả chính xác cao, nhưng chi phí đầu tư khá đắt Mặc dù đầu dò cảm ứng cũng đạt độ chính xác, nó chỉ thu thập một điểm dữ liệu mỗi lần chạm, dẫn đến việc thực hiện nhiều phép đo trở nên chậm chạp Hơn nữa, đầu dò tiếp xúc có nguy cơ bị hỏng trong quá trình sử dụng.
Việc sử dụng các phương pháp đo gián tiếp thông qua bộ số liệu từ các trục x, y, z có thể dẫn đến sai lệch trong kết quả đo do sai số (±∆x, ±∆y, ±∆z) của các trục này Khi thực hiện đo lường theo các phương pháp khác nhau, sai số sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kết quả Chẳng hạn, máy đo 3 tọa độ Insight 121511 có độ chính xác đo là 3.0µm + L/300mm ở nhiệt độ 20ºC ± 1ºC và độ ẩm.
55%-65%), như vậy nếu đo độ trũn trờn mỏy này thỡ sai số đo sẽ lớn hơn 3à m
Do đó đối với các chi tiết máy yêu cầu nghiêm ngặt về độ tròn thì cần phải có phương pháp và thiết bị đo chuyên dùng
Hình 2.4: Hình ảnh đo độ tròn trên máy đo tọa độ
2.1.1.4 Phương pháp đo bằng máy đo độ tròn chuyên dùng
Phương pháp đo sử dụng hệ tọa độ cực xác định chi tiết trụ thông qua việc quay một đường sinh quanh trục song song Mỗi điểm trên tiết diện cắt ngang được biểu diễn bằng bán kính quay R và góc quay θ.
Hình 2.5: Sơ đồ đo sai lệch độ tròn trong hệ tọa độ cực
Khi quay chi tiết quanh tâm, với tâm chi tiết trùng với tâm quay, việc sử dụng đầu đo dịch chuyển thẳng hướng kính sẽ cung cấp thông tin về biến thiên bán kính Ri tại các vị trí góc quay θ i trên tiết diện đo.
Phương pháp đo biên dạng sử dụng laser quét
2.2.1 Nguyên lý của thiết bị Laser scan micrometer (LSM)
Hình 2.12: Sơ đồ các bộ phận của thiết bị đo LSM
Hình 2.13: Sơ đồ kết cấu của thiết bị LSM
Laser được chiếu lên gương đa giác cố định trên trục động cơ, tại vị trí tiêu điểm của thấu kính TK1 Khi gương đa giác quay, tia laser quét liên tục và sau khi qua thấu kính TK1, tia laser trở thành chùm song song Thấu kính TK2 có nhiệm vụ hội tụ chùm tia song song này về mặt Photodiode, tạo ra xung thu được từ Photodiode với dạng như hình 3.3, trong đó Ton là thời gian laser quét trong một chu kỳ T.
Hình 2.14: Xung thu được từ Photodiode khi chưa có vật đo
Khi đặt vật đo vào vùng quét laser giữa hai thấu kính, xung thu được từ photodiode sẽ xuất hiện trong khoảng thời gian t xung ở mức 0, cho thấy thời gian mà vật đo che khuất chùm tia laser Bằng phương pháp đếm xung chuẩn, chúng ta có thể xác định thời gian t và từ đó tính toán kích thước của vật đo.
Hình 2.15: Xung thu được từ Photodiode có vật đo
Thiết bị đo gồm có 2 bộ phận chính:
Bộ phận tạo ra tín hiệu đo bao gồm hệ quang với các thành phần như gương, thấu kính và laser, cùng với mạch tạo xung đo dựa trên các cảm nhận từ chi tiết đo.
Bộ phận xử lý tín hiệu và hiển thị kết quả đo bao gồm bộ xử lý và hệ thống chuyển đổi xung đếm thành kết quả đo, kết hợp với CPU để chuyển đổi dữ liệu sang các giao diện khác như màn hình hiển thị, bàn phím, máy in và chuyển đổi D/A Sơ đồ khối chức năng của hệ thống này thể hiện mối liên kết giữa các thành phần, đảm bảo quá trình xử lý và hiển thị thông tin diễn ra hiệu quả.
Hình 2.16: Sơ đồ khối chức năng của thiết bị LSM
Tia Laser được tạo ra từ một đầu phát Laser khí He-Ne hoặc Laser bán dẫn
Thiết bị đo yêu cầu độ chính xác cao nên Laser He-Ne là lựa chọn tối ưu, nhờ vào tính đơn sắc vượt trội với ánh sáng đỏ có bước sóng 650 nm và độ song song tốt với góc phân kỳ khoảng 0,5 mR.
2.2.2.2 Bộ phận tạo tia Laser quét
Phương pháp gương đa giác quay là kỹ thuật phổ biến nhất trong máy quét laser nhờ vào sự đơn giản và tốc độ quét cao của nó Mặc dù có nhiều phương pháp tạo tia Laser quét khác như gương điện kế và gương dao động, nhưng gương đa giác quay vẫn được ưa chuộng hơn cả.
Hệ quang tạo tia Laser thường được bố trí bằng phương pháp đa giác quay, cho phép tạo ra nhiều chu kỳ quét trong mỗi vòng quay của gương Số chu kỳ quét này tỉ lệ thuận với số cạnh của đa giác, giúp tăng cường vận tốc quét và tần số đo Các ưu nhược điểm của phương pháp này sẽ được phân tích trong các phần sau của bài viết.
Hình 2.17: Các phương pháp tạo ra tia laser quét bằng gương đa giác quay
2.2.2.3 Bộ phận trực chuẩn tia quét
Hình 2.18: Chuẩn trực chùm tia quét góc thành chùm tia quét song song
Các tia laser phản xạ từ gương đa giác quay tạo thành một chùm tia quét góc Để xác định đường kính D của các chi tiết, cần quét theo hai đường sinh đối tâm, yêu cầu chùm tia quét phải song song Do đó, việc chuyển đổi chùm tia quét góc thành chùm tia quét song song là cần thiết Để thực hiện điều này, người ta đặt điểm "hội tụ" của chùm tia quét góc tại tiêu điểm của một thấu kính chuẩn trực TK1.
Thấu kính TK1 không chỉ có chức năng chuẩn trực chùm tia quét mà còn giúp tăng cường độ chính xác của phép đo Tia Laser quét và tia Laser từ nguồn phát có độ song song cao, nên khi đi qua TK1, chúng hội tụ tại tiêu diện của thấu kính Kết quả là đường kính tia quét tại tiêu diện TK1 giảm nhiều lần so với đường kính chùm tia phát, từ đó nâng cao khả năng phân giải khi nhận diện cạnh vật đo.
Hình 2.19: Sự giảm đường kính tia laser tại vị trí quét lên cạnh vật đo
2.2.2.4 Bộ phận cảm nhận chùm tia Laser quét và tạo tín hiệu đo
Trong quá trình quét, tia laser có thể bị che khuất bởi vật đo, gây ra sự không liên tục trong tín hiệu Để chuyển đổi hiện tượng này thành tín hiệu đo chính xác, người ta thường sử dụng phương pháp chuyển đổi thành tín hiệu xung điện.
Hình 2.20: Nguyên lý của bộ phận tạo xung đo
Tia Laser quét sẽ được hội tụ qua một kính tụ, và tại tiêu điểm của kính tụ, một tế bào quang điện được đặt để thu nhận tín hiệu Khi chùm Laser quét bị che khuất bởi vật thể, tín hiệu điện từ tế bào quang điện sẽ được khuyếch đại và kết hợp với mạch chuyển đổi thích hợp, tạo ra một tín hiệu dạng xung ở đầu ra.
Độ rộng t của đoạn xung mức “0” trong thời gian không có tín hiệu điện của tế bào quang điện cho phép xác định kích thước của chi tiết một cách chính xác.
2.2.2.5 Bộ phận xử lý tín hiệu
Để chuyển đổi thời gian t ở mức “0” của xung tế bào quang điện thành kết quả đo, người ta thiết kế bộ xử lý tín hiệu với các bộ phận cần thiết Hình 2.21 minh họa sơ đồ chuyển đổi tương ứng từ độ rộng xung đo thành việc đếm số xung nhịp thời gian.
Mạch tạo xung nhịp thời gian thường sử dụng tinh thể thạch anh để tạo ra các xung nhịp có tần số cao và ổn định.
Bộ so sánh tín hiệu xung nhận tín hiệu từ đầu ra của tế bào quang điện và thiết bị tạo xung nhịp Nó thực hiện chức năng đếm số xung N phát ra từ thiết bị trong khoảng thời gian t, tương ứng với độ rộng "0" của xung tế bào quang điện.
K ết luận chương 2
Với phạm vi của một luận văn thì không đủ để nghiên cứu hết một cách toàn diện mà chỉ thực hiện một số nội dung chính như sau:
- Nghiên cứu tổng quan các phương pháp đo biên dạng chi tiết
- Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng sử dụng quét laser truyền qua
- Nghiên cứu xây dựng thiết bị đo biên dạng sử dụng quét laser
- Thực nghiệm đo trên thiết bị đo
- Nghiên cứu một số ảnh hưởng sai số đo
Xuất xứ: Đức Khoảng đo: 0,5 - 90 mm ; Độ chính xác: ± 5,9 μm
Khả năng lặp lại: ± 3 μm; Độ tuyến tính: ± 15 μm Kích thước: 165x102x61 mm; Nguồn laser: Diot Bước sóng 670 nm ; Màu laser: đỏ
Công suất: 1mW; Tần số đo 800 Hz Nguồn điện: 24 VDC ± 20%; Cân nặng: 2,6 kg Điều kiện hoạt động: (0 – 40) o C
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐẢO NGƯỢC SỬ DỤNG ĐO BIÊN D ẠNG QUÉT LASER
Các y ếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác
3.1.1 Các nguyên nhân gây sai số
3.1.1.1 Sai số do phương pháp đo
Với phương pháp đo bằng máy LSM, như đã tính toán ở trên, ta có công thức xác định đường kính của chi tiết đo:
Công thức cho thấy độ chính xác đo phụ thuộc vào:
- Độ không ổn định vận tốc của mô tơ dẫn đến sai số tốc độ quay n của gương đa giác
- Sự không ổn định về tần số của máy tạo xung nhịp thời gian thạch anh
- Sai số của thấu kính trực chuẩn TK1 dẫn đến các sai số về tiêu cự f
3.1.1.2 Sai số do kết cấu và điều kiện sử dụng
Công thức này chỉ chính xác khi các điều kiện lý tưởng về chế tạo, lắp đặt thiết bị và gá đặt chi tiết đo được đáp ứng, cùng với môi trường hoàn toàn ổn định Tuy nhiên, do những điều kiện lý tưởng này khó có thể đạt được trong thực tế, chúng ta cần xem xét ảnh hưởng của chúng đến sai số đo.
3.1.1.3 Phương thức khảo sát các sai số đo
Để đánh giá ảnh hưởng của từng nguyên nhân đến kết quả đo, cần lưu ý rằng một yếu tố sai lệch có thể xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau Chẳng hạn, độ không song song của chùm tia quét có thể do nhiều yếu tố như việc sử dụng gương đa giác, đặc trưng hình học của thấu kính TK1, hoặc sai số trong quá trình lắp đặt.
Luận văn này sẽ nghiên cứu mức độ ảnh hưởng của các yếu tố sai lệch, cả cụ thể lẫn tổng quát Dựa trên những nguyên nhân gây ra sai lệch, bài viết cũng sẽ đề xuất các biện pháp khắc phục hiệu quả.
Sai lệch tâm bao gồm sai lệch điểm đặt ban đầu và sai lệch do dao động tâm Khi đặt chi tiết vào mâm cặp, tâm quay và tâm chi tiết cần phải trùng nhau để đảm bảo chính xác Tuy nhiên, trong quá trình chi tiết quay, sẽ xảy ra sự dao động tâm, ảnh hưởng đến chất lượng gia công.
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của máy đo độ tròn sử dụng 1 đầu đo
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy đo độ tròn cho thấy chi tiết 5 được đặt lên bàn quay 7, nơi có bộ phận điều chỉnh để căn chỉnh tâm chi tiết với tâm bàn quay Trong quá trình đo, bàn quay chi tiết sẽ xoay, trong khi bộ phận đo góc 2 và đầu đo 6 di chuyển quanh chi tiết, cung cấp thông tin về vị trí góc quay θ và bán kính đo R Quá trình này cho phép ghi lại một bộ thông số đo (R_i, θ_i) cho i từ 1 đến n, tương ứng với toàn bộ vòng 360°.
Giả sử chi tiết 5 có tâm O’ và hệ thống bàn quay 7 có tâm O Khi chi tiết được đặt lên bàn đo sao cho O’ trùng với O, biến thiên bán kính trên đầu đo hướng kính sẽ mô tả profile bề mặt của chi tiết Việc đo này sẽ xác định sai lệch độ tròn, được biểu diễn bằng công thức x(θ) = r(θ).
( ) x θ : Hàm tín hiệu của đầu đo dịch chuyển thẳng tại từng vị trí góc quay θ ( ) r θ : Hàm biểu thị sai lệch bán kính trên biên dạng
Khi thực hiện phép đo, chi tiết được đặt trên bàn đo với tâm chi tiết là tâm ảo, dẫn đến việc không thể đặt O’ trùng với O Trong khi sai lệch độ tròn cần quan tâm ngày càng nhỏ (khoảng vài micromet), việc “đặt” sai sẽ tạo ra sai số lớn (có thể lên đến mm) Tín hiệu thu được từ đầu đo x(θ) sẽ bao gồm cả sai lệch bán kính chi tiết đo r(θ) và độ lệch tâm e.
( ) r( ) ( ) ( ) x ( ) sin e ( ) cos y x θ = θ + ∆ θ = r θ + e θ α + θ α (3.3) Trong đó: e x ( )θ và e y ( )θ là độ lệch tâm chiếu lên trục X và trục Y
Hình 3.2: Sơ đồ biểu diễn chi tiết được đặt lên bàn quay
Theo công thức (3.3), độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào độ lệch tâm ∆(θ), ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo Nếu không có độ lệch tâm, tín hiệu thu được từ đầu đo x(θ) sẽ phản ánh trung thực biên dạng chi tiết đo r(θ) Để nâng cao độ chính xác cho phép đo, cần xây dựng các giải pháp loại bỏ độ lệch tâm Luận văn này đề xuất giải pháp xử lý sai lệch tâm bằng phương pháp đảo ngược đầu đo.
3.1.2 Tính toán sai số và các biện pháp khắc phục
3.1.2.1 Xác định độ lệch tiêu điểm của tia quét góc khi sử dụng gương đa giác
Hình 3.3: Sơ đồ đường đi của tia laser qua hệ gương tạo tia quét
Để đảm bảo chùm tia laser quét lên chi tiết song song với quang trục, hệ tia phản xạ từ gương đa giác cần phải đi qua tiêu điểm của thấu kính chuẩn trực TK1.
Việc sử dụng gương đa giác quay có thể tạo ra độ lệch của tia phản xạ so với tiêu điểm của TK1, dẫn đến sự không song song của chùm tia quét và gây ra sai số đo Do đó, việc xác định độ lệch này là cần thiết để áp dụng các biện pháp đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường.
Để thuận tiện cho việc tính toán đường đi của tia laser quét, hệ gương và thấu kính được gắn với hệ tọa độ Đề-các vuông góc xOy, như thể hiện trong Hình 3.4.
- Tâm quay của gương trùng với tâm tọa độ O
- Trục Ox đi qua tâm gương và song song với quang trục của TK1 Ox và quang trục x của TK1 cách nhau một khoảng là h
Để tính khoảng lệch do gương tạo ra, ta giả định tia tới T (cố định) phản xạ từ gương phẳng cắt trục Ox tại điểm (0, r), trong đó r là bán kính của gương và tạo với trục Ox một góc α (Hình 3.4).
Ta có phương trình của tia tới T trong hệ tọa độ Oxy: y – 0 = tgα.(x – r) hay y = tgα (x – r) (3.4)
Hình 3.5: Xác định giao điểm N của tia tới T với mặt gương đa giác quay
Khi mặt phản xạ của gương đa giác đang ở vị trí góc quay β (hình 3.5) ta thấy đường thẳng ∆ qua nó có :
- Đi qua điểm M có tọa độ M (r.cosβ , r.sinβ )
Vậy, phương trình của ∆ trong tọa độ Oxy là:
.sin ( 90 ).( cos ) y r sin cotg (x r cos ) y x cotg r(cotg cos sin ) y r β tg β x r β β β β β β β β
(cotg cos sin ) sin sin sin sin β β β β β β β β β β
Ta có phương trình của ∆ : cotg sin y x β r
Từ (3.4) và (3.5) ta thấy giao điểm N của tia tới T và ∆ có hoành độ x N là nghiệm của phương trình:
N cotg tg x r x r x tg r tg x x tg α β β α β α β α β α β
Thay vào trên ta có tọa độ của điểm N trong hệ tọa độ Oxy:
N N x r tg tg y tg x r r tg tg α β α β α β β α α β
Hình 3.6: Xác định giao điểm K của tia phản xạ P với quang trục x’ của TK1
Tia phản xạ P từ gương đa giác có hệ số góc được xác định bởi công thức α - 2.(α - β) = (2β - α) Tia P đi qua điểm N đã được xác định trong hệ tọa độ Oxy, từ đó ta có thể thiết lập phương trình của P là y – y N = tg(2β - α).(x – x N).
(2 ).( ) cotg cotg r tg r tg y tg x tg tg α β β β α α β α β α β
Trong hệ tọa độ Oxy, quang trục x' được xác định bởi đường thẳng y = h Để tìm hoành độ giao điểm K của tia phản xạ P với quang trục x' của TK1, ta sử dụng phương trình tương ứng.
1 / sin (2 ) (1 / sin cotg ) tg ( cotg )
1 / sin (2 ) 2 cotg( / 2) tg ( cot k k r tg tg h x tg tg r tg tg h tg x tg r tg tg h tg α β β α β β β β α α β α β β α β β α α β α β β α α β β α β α α
Do các giá trị r,α ,h là các hằng số ( thông số chế tạo quang), vì vậy x K là một hàm số của β : x K = f( )β
Khi gương đa giác quay, góc β biến đổi dẫn đến x K thay đổi, nghĩa là tia phản
34 xạ P không thể luôn đi qua tiêu điểm của TK1 mà nó cắt quang trục x , ở những điểm khác nhau
Mặt khác, ta thấy rằng hệ số góc γ = (2 β α − ) là góc quét so với quang trục của tia phản xạ P lên thấu kính chuẩn trực TK1 Thay
2 β =α γ + vào (3.9) ta xác định được:
K r tg tg tg h tg x tg tg α γ α γ α α γ γ α α α α γ γ
Hình 3.7: Độ lệch giao điểm của tia phản xạ với quang trục của TK1
Khi chi tiết đo đối xứng qua quang trục P, nó sẽ quét lên TK1 theo hai tia giới hạn P1 và P2, với các góc quét tương ứng là γ = ± θ Giá trị của θ phụ thuộc vào đường kính của chi tiết đo.
Thông qua độ lớn của θ ta sẽ xác định được độ lệch 1 2
2 x K là giá trị của x K tương ứng với các góc ±θ
3.1.2.2 Sai số do đường kính chi tiết đo và vận tốc quét của tia laser
Xây d ựng phương pháp đảo ngược sử dụng đo biên dạng laser quét 45
Coi thiết bị LSM là dạng thiết bị có 2 đầu đo không tiếp xúc bằng Laser
Hình 3.19: Nguyên lý thiết bị LSM
Phương pháp đảo ngược có thể được áp dụng để đo biên dạng bề mặt và sai số chuyển động khi chuyển động máy có độ ổn định cao
Trong phương pháp này, cần xoay phôi 180 ° và thực hiện hai lần quét trước và sau khi đảo chiều
Trước khi đảo chi tiết đo Sau khi đảo chi tiết đo
Chùm tia quét trên Chùm tia quét trên
Chùm tia quét dưới Chùm tia quét dưới
Hình 3.20: Nguyên lý phương pháp đảo ngược
Hình 3.20, trong lần quét đầu tiên, hai đầu đo được sử dụng để quét phôi trước khi đảo chiều Đầu ra đầu đo có thể được viết là:
T − z θ làgiá trị của đầu đo phía đỉnh trên trước khi đảo ngược 180 0
B − z θ làgiá trị của đầu đo phía đỉnh dưới trước khi đảo ngược 180 0
∆ là sai lệch tâm trước đảo ngược 180 0
( , ) r z θ là biên dạng chi tiết phía đầu đo đỉnh trên
( , ) r z θ π + là biên dạng chi tiết phía đầu đo đỉnh dưới
Khi chi tiết đảo ngược 180 0 , đầu ra của hai đầu đo được thay đổi như sau:
T − z θ làgiá trị của đầu đo phía đỉnh trên sau khi đảo ngược 180 0
B − z θ làgiá trị của đầu đo phía đỉnh dưới sau khi đảo ngược 180 0
∆ là sai lệch tâm sau đảo ngược 180 0
Cộng hai phương trình (3.14) với (3.16) và (3.15) với (3.17), ta được:
2 2 edge before edge after after before
2 2 edge before edge after after before
Thay phương trình (3.16) vào (3.12), ta được:
2 sin( ) 2 edge before edge after after before before
Nếu độ lệch tâm trước và sau khi đảo ngược không đổi tức
∆ = ∆ thì từ các phương trình (3.18), (3.19) và (3.20), ta có:
2 sin( ) edge before edge after before
K ết luận chương 3
Trong chương 3 tác giả đã giải quyết được những vấn đề sau:
Các yếu tố ảnh hưởng đến sai số trong phương pháp đo có thể trực tiếp tác động đến kết quả đo Việc tính toán sai số cần phải được thực hiện một cách chính xác để đảm bảo độ tin cậy của kết quả Để khắc phục những sai số này, cần áp dụng các biện pháp thích hợp nhằm nâng cao độ chính xác trong quá trình đo lường.
Trong chương này, tác giả giới thiệu phương pháp đảo ngược đo biên dạng bằng cách sử dụng quét laser, nhằm khử độ lệch tâm của chi tiết và tâm quay Phương pháp này được áp dụng trong trường hợp độ lệch tâm trước và sau khi đảo không thay đổi, điều này phụ thuộc vào độ ổn định của bàn xoay gá đặt chi tiết.
XÂY DỰNG THIẾT BỊ VÀ THỰC NGHIỆM ĐO
L ựa chọn và xây dựng thiết bị đo
Toàn bộ kết cấu thiết bị đo bao gồm:
+ Đầu đo laser của máy LSM
+ Hệ điều khiển và phần mềm
4.1.1 Sử dụng đầu đo của thiết bị đo LSM Để xây dựng thiết bị đo cần 2 đầu đo laser quét, tác giả đã sử dụng một bộ thiết bị LSM (Laser Scan Micrometer) LS-5040T/5041R được sản xuất bởi hãng Keyence
Hình 4.1: Hai đầu đo của thiết bị LSM
Trong thiết bị LSM có 2 cụm thành phần chính: Cụm phát tín hiệu đo và cụm thu tín hiệu đo
Cụm phát tín hiệu đo bao gồm hệ quang với các thành phần như gương đa giác, thấu kính và nguồn laser, cùng với mạch tạo xung đo dựa trên các cảm biến từ chi tiết đo.
Cụm nhận tín hiệu đo và hiển thị kết quả bao gồm bộ xử lý và chuyển đổi xung, giúp chuyển đổi dữ liệu đo thành kết quả Hệ thống CPU sẽ chuyển đổi các dữ liệu đo sang các giao diện khác nhau như màn hình hiển thị, bàn phím, máy in và chuyển đổi D/A.
Thiết bị LSM được hãng Keyence chế tạo với những thông số tiêu chuẩn sau:
Cụm nhận tín hiệu Chi tiết
Bảng 4.1: Thông số tiêu chuẩn của thiết bị LSM
Phạm vi đo 0,2 đến 40 mm Đối tượng đo nhỏ nhất 0,2 mm
Nguồn sáng Sử dụng nguồn laser bán dẫn màu đỏ nhìn thấy được
Tốc độ quét 1200 scans/sec ; 121 m/sec
Phạm vi quét Khoảng 46 mm
Hình 4.2: Phạm vi đo lường và độ chính xác của LSM
Bảng 4.2: Ảnh hưởng dao động của nhiệt độ đến LSM
Sự dao động nhiệt độ +1.4 +0.6 0 -0.6 -1.6 -2.7
Cụm phát tín hiệu Cụm nhận tín hiệu
Hình 4.3: Bàn xoay quang học
Bàn xoay quang học có góc quay 360 ° :
- Giá trị chia nhỏ nhất là 1’, độ chính xác 2’
- Bao gồm cơ cấu quay tạo góc quay và cơ cấu đọc góc bằng quang học sử dụng thước quang ( 1 ° chia thành đoạn 60 vạch nhỏ tương ứng 60’)
Bàn xoay quang học hoạt động dựa trên cơ chế quay góc thông qua núm chỉnh tay, kết hợp với hệ thống bánh răng bên trong Khi điều chỉnh, bàn xoay sẽ xoay theo góc tùy ý, và giá trị hiệu chỉnh có thể được đọc qua ống kính quang học.
Hình 4.4: Thí nghiệm đo sử dụng bàn xoay quang học
4.1.3 Hệ điều khiển và phần mềm
Hình 4.5: Hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển LSM bao gồm:
- Bộ điều khiển LS-5501 (Bảng 4.3)
- Bộ điều khiển góc quay
Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật bộ điều khiển LSM
Loại Built-in Display type
Hiển thị Hiển thị giá trị đo Liquid crystal display, 320 x 240 dots, Backlit — Đơn vị tối thiểu hiển thị 0.05 m —
Phạm vi hiển thị -99.99995 to 999.99995 —
Phạm vi đo mm/inch selectable —
Chỉ số đầu ra so sánh 7-level, Liquid crystal display —
Chỉ số cảnh báo Laser bật Liquid crystal display —
Terminal Program select input Non-voltage input (contact / solid state) block input Laser remote input
Giao diện RS-232C output Measurement data output and control input
Hold reset input, Non-voltage input (contact / solid state)
7-level comparator output NPN open-collector output 100 mA (40 V) max Điện áp cung cấp 85 to 264 VAC, 50/60 Hz
Mức tiêu thụ hiện tại 8.5 A max 1.4 A max
Nhiệt độ môi trường 0 to 45C (32 to 113F), No condensation Độ ẩm tương đối 35 to 85%, No condensation
Trọng lượng Approx 3.7 kg Approx 1.1 kg
Hình 4.6: Giao diện phần mềm đo
Th ực nghiệm trên thiết bị đo
4.2.1 Vật mẫu thực nghiệm đường kính d= 10,59 mm
Kết quả thực nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm Trung tâm đo lường của Viện Công nghệ Tổng cục Công Nghiệp Quốc Phòng
Tác giả đã tiến hành sử dụng vật mẫu trục chuẩn đã được kiểm định và hiện đang áp dụng tại Trung tâm đo lường thuộc Viện Công nghệ của Tổng cục Bộ Quốc Phòng.
Hình 4.8: Phần mềm hiển thị kích thước đo vật mẫu d,59 mm
Trong mỗi lần xoay vật mẫu một góc 10 ° phần mềm sẽ hiển thị các giá trị tương ứng Out1 (kích thước mẫu) , Out2 (cạnh trên) , Out3 (cạnh dưới)
Tại lần đo tại vị trí 1 của vật mẫu d,59 mm ta có các giá trị (bảng 4.4)
Bảng 4.4: Kết quả đo vật mẫu d,59 mm (lần đo vị trí 1)
Cạnh trên - Out2 edge before
Cạnh dưới - Out3 edge after
B − Sai lệch Biên dạng Sai Lệch tâm
Dựa vào bảng kết quả đo thực tế và công thức xây dựng phương pháp đảo ngược, chúng ta có thể xây dựng đồ thị thể hiện biên dạng chi tiết và độ lệch tâm Đồ thị 4.1 minh họa biên dạng của vật mẫu với kích thước d = 59 mm tại vị trí 1.
Góc quay Mẫu d,59 mm (Vị trí 1)
55 Đồ thị 4.2: Độ lệch tâm của vật mẫu d= 10,59 mm (vị trí 1)
Dựa vào kết quả đo tại vị trí 1 ta có:
Bảng 4.5: Kết quả đo của vật mẫu d,59 mm (vị trí 1)
STT Vị trớ Sai lệch độ trũn (R max−R min) (à m ) Sai lệch tõm (à m )
Từ vị trí 1 ta dịch vật mẫu ra vị trí 2 và thực nghiệm tương tự như lần đo vị trí 1
Bảng 4.6: Kết quả đo vật mẫu d,59 mm (vị trí 2)
Cạnh trên - Out2 edge before
- Out3 B edge after − Sai lệch
Biên dạng Sai Lệch tâm
Góc quay Sai lệch tâm
360 10.58745 19.8414 0.272434 16.14445 0.27149324 0.00047027 0.27196351 Đồ thị 4.3: Biên dạng vật mẫu d,59 mm (vị trí 2)
Góc quay Mẫu d,59 mm (Vi trí 2)
57 Đồ thị 4.4: Độ lệch tâm của mẫu d,59 mm (vị trí 2)
Dựa vào kết quả đo tại vị trí 2 ta có:
Bảng 4.7: Kết quả đo vật mẫu d,59 mm (vị trí 2)
STT Vị trớ Sai lệch độ trũn (R max−R min) (à m ) Sai lệch tõm (à m )
Từ vị trí 2 ta dịch vật mẫu ra vị trí 3 và đo giá trị tương tự như lần đo vị trí 1
Bảng 4.8: Kết quả đo vật mẫu d,59 mm (vị trí 3)
Cạnh trên - Out2 edge before
Góc quay Sai lệch tâm
360 10.5884 19.32515 -0.22693 15.6364 -0.22591 -0.00051 -0.22642 Đồ thị 4.5: Biên dạng vật mẫu d,59 (vị trí 3)
Góc quay Mẫu d,59 mm (Vị trí 3)
59 Đồ thị 4.6: Độ lệch tâm vật mẫu d.59 mm (vị trí 3)
Dựa vào kết quả đo tại vị trí 3 ta có:
Bảng 4.9: Kết quả đo vật mẫu d,59 mm (vị trí 3)
STT Vị trớ Sai lệch độ trũn (R max−R min) (à m ) Sai lệch tõm (à m )
4.2.2 Thực nghiệm đo vật mẫu đường kính d mm
Hình 4 4.1: Phần mềm hiển thị kích thước đo vật mẫu d mm
Góc quay Sai lệch tâm
Bảng 4.10: Kết quả đo vật mẫu d= 20mm (vị trí 1)
Cạnh trên – Out2 T edge before − Cạnh dưới
– Out3 B edge after − Sai lệch
Biên dạng Sai Lệch tâm
61 Đồ thị 4.7: Biên dạng vật mẫu d mm (vị trí 1) Đồ thị 4.8: Độ lệch tâm của mẫu d mm (vị trí 1)
Từ vị trí 1 ta dịch vật mẫu ra vị trí 2 và đo giá trị tương tự như lần đo vị trí 1
Bảng 4.11: Kết quả đo vật mẫu d mm (vị trí 2)
- Out3 B edge after − Sai lệch
Biên dạng Sai Lệch tâm
Góc quay Mẫu d mm (Vị trí 1)
Góc quay Sai lệch tâm
63 Đồ thị 4.9: Biên dạng vật mẫu d mm (vị trí 2) Đồ thị 4.10: Độ lệch tâm của mẫu d mm (vị trí 2)
Dựa vào kết quả đo tại vị trí 1 và 2 ta có:
Bảng 4.12: Kết quả đo vật mẫu d mm ( vị trí 1,2)
STT Vị trớ Sai lệch độ trũn (R max−R min) (à m ) Sai lệch tõm (à m )
Góc quay Mẫu d mm (Vị trí 2)
Góc quay Sai lệch tâm
4.2.3 Vật mẫu thực nghiệm đo đường kính d= 34 mm
Bảng 4.13: Kết quả đo vật mẫu d4mm (vị trí 1)
Cạnh trên - Out2 edge before
Biên dạng Sai Lệch tâm
360 34.02865 7.87375 0.007597 4.18205 0.00791081 -0.0001568 0.00775405 Đồ thị 4.11: Biên dạng mẫu d4mm (vị trí 1)
Góc quay Mẫu d4 mm (Vị trí 1)
66 Đồ thị 4.12: Độ lệch tâm của mẫu d4mm (vị trí 1)
Dựa vào thực nghiệm kết quả đo trên ta có bảng kết quả sai lệch biên dạng ở các vị trí khác nhau
Bảng 4.14: Kết quả đo sai lệch độ tròn và sai lệch tâm qua các mẫu chuẩn Đường kính d vật mẫu (mm) Lệch tõm ( à m )
Kết quả đo sai lệch độ tròn
Góc quay Sai lệch tâm
67 Đồ thị 4.13: Đồ thị so sánh kết quả biên dạng đo được qua các mẫu chuẩn tại những vị trí khác nhau
Dựa trên kết quả thực nghiệm, tác giả đã đưa ra một số nhận xét quan trọng về sai lệch biên dạng khi áp dụng phương pháp đảo ngược đầu đo laser quét Những nhận xét này giúp hiểu rõ hơn về hiệu quả và độ chính xác của phương pháp trong việc đo đạc và phân tích biên dạng.
- Đồ thị 4.13 cho thấy biên dạng của các chi tiết mẫu khác tại những vị trí khác nhau đều có biên dạng gần giống nhau
- Bảng 4.13 cho thấy giá trị sai lệch biên dạng của các chi tiết mẫu nằm trong khoảng 2à m → 3.2à m tại cỏc vị trớ khỏc nhau bất kỳ.
K ết luận chương 4
Trong chương 4 tác giả đã giải quyết được những vấn đề sau:
Phân tích và lựa chọn trang thiết bị phù hợp là bước quan trọng để xây dựng hệ thống đo lường đáng tin cậy trong quá trình thực nghiệm, giúp đảm bảo tính chính xác và ổn định cho các thí nghiệm.
Kết quả thực nghiệm cho thấy sai lệch biên dạng của các chi tiết mẫu nằm trong khoảng xác định, bất kể sai lệch tâm khác nhau Điều này chứng tỏ rằng phương pháp đảo ngược đầu đo hiệu quả trong việc khử độ lệch tâm của chi tiết đo và tâm quay.
Với các nội dung đã hoàn thiện luận văn đã giải quyết được những vấn đề sau:
Mau d,59 mm (Vi tri 1) Mau d,59 mm (Vi tri 2)Mau d,59 mm (Vi tri 3) Mau d mm (Vi tri 1)Mau d mm (Vi tri 2) Mau d4 mm (Vi tri 1)
- Tìm hiểu tổng quan về các phương pháp quét laser
- Xác định nguyên nhân gây sai số dẫn đến ảnh hưởng kết quả đo và biện pháp khắc phục
Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển hệ thống đo lường bằng phương pháp đảo ngược, sử dụng công nghệ đo biên dạng laser quét nhằm xử lý và phân tích độ sai lệch giữa tâm chi tiết và tâm quay.
- Thực nghiệm ứng dụng phương pháp đảo ngược đo biên dạng sử dụng quét laser
Hướng phát triển của đề tài:
Trong thời gian tới, chúng tôi sẽ tiếp tục hoàn thiện hệ thống và nâng cao độ ổn định, độ chính xác của phương pháp đo biên dạng bằng laser quét Mục tiêu là mở rộng các kết cấu để cải thiện khả năng ứng dụng trong việc kiểm tra chất lượng chi tiết, đặc biệt là chi tiết vỏ đạn tại các nhà máy sản xuất Quốc phòng.
