Nghiên cứu đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay bằng phương pháp quét laser TT

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án Trong chi tiết máy chi tiết dạng tròn xoay chi tiết chiếm đa số Chúng thành phần quan trọng phận ổ lăn, trục máy cơng cụ, piston động cơ, … Bên cạnh yêu cầu kỹ thuật dung sai kích thước, vị trí tương quan u cầu độ xác hình dáng chi tiết quan trọng (cỡ từ 0,1 µm đến vài chục µm) Các sai số hình dáng chi tiết trịn xoay bao gồm độ trịn, độ trụ, độ thẳng, độ Các sai số ảnh hưởng trực tiếp đến chức làm việc chi tiết máy phận máy Sai lệch biên dạng lớn làm cho thiết bị hoạt động hiệu quả, ví dụ: trục máy cơng cụ máy tiện, máy phay có tiết diện mặt cắt ngang khơng trịn, q trình làm việc trục quay gây đảo, độ đảo in dập bề mặt gia cơng dẫn đến sai số hình dáng chi tiết Tương tự đôi piston xilanh có bề mặt khơng trụ, khe hở làm việc khơng đồng tiết diện, làm giảm hiệu suất máy Đối với truyền động sai lệch biên dạng bề mặt ổ lăn, ổ trượt chi tiết tham gia lắp ghép có tác động tới đặc tính lắp ghép, ảnh hưởng độ xác truyền động Đặc biệt với chi tiết đạn sai lệch biên dạng ảnh hưởng trực tiếp đến trình chuyển động đạn buồng đạn quỹ đạo chuyển động đầu đạn bắn đến mục tiêu Các thiết bị đo quét biên dạng cung cấp liệu bề mặt chi tiết dạng đám mây điểm Từ đám mây điểm thu tái tạo lại biên dạng tính tốn sai lệch biên dạng Hiện nay, có hai nhóm phương pháp đo biên dạng 3D vật thể là: đo tiếp xúc không tiếp xúc Phương pháp đo tiếp xúc sử dụng đầu dò tiếp xúc với bề mặt chi tiết cần đo máy đo CMM, tay máy đo, Đặc điểm phương pháp đo tiếp xúc phương pháp đo điểm, điểm xác định đầu dò tiếp xúc học với bề mặt cần đo đồng thời đánh dấu tọa độ điểm đo hệ tọa độ máy với thời gian xác định điểm đo lên đến phần mười giây phương pháp có độ xác cao để đo toàn biên dạng chi tiết thường nhiều thời gian khó đo trực tiếp dây chuyền sản xuất Phương pháp đo khơng tiếp xúc sử dụng tia X, sóng siêu âm phương pháp sử dụng nguyên lý quang học để thu thập liệu điểm đo phân loại thành dạng phương pháp là: quét chủ động quét bị động Phương pháp đo không tiếp xúc chủ động chiếu mẫu ánh sáng vào bề mặt chi tiết đo dựa vào tán xạ, phản xạ bề mặt chi tiết để xác định điểm đo; có nguyên lý như: thời gian truyền sóng, nguyên lý tam giác lượng (đo laser, ánh sáng cấu trúc) Phương pháp đo không tiếp xúc bị động sử dụng hình ảnh vật cần đo để xác định tọa độ điểm đo gồm: phương pháp ảnh lập thể, phương pháp quang trắc, phương pháp dựa vào bóng vật Phương pháp đo chủ động có độ xác cao song phương pháp đo bị động thường có tốc độ đo nhanh Phương pháp đo khơng tiếp xúc đo bề mặt chi tiết có kích thước lớn nhỏ, biên dạng phức tạp đo trực tiếp dây chuyền sản xuất Trong đó, phương pháp đo chủ động sử dụng ánh sáng cấu trúc cho tốc độ đo nhanh để đạt độ xác cỡ micromet trở ngại Với phương pháp đo chủ động sử dụng quét laser tốc độ đo không nhanh sử dụng ánh sáng cấu trúc độ xác cao đạt đến micromet nên tập trung nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực đo độ xác cao Tuy nhiên, thiết bị đo dạng chủ yếu ứng dựng đo 2D chi tiết trịn xoay Do đó, để đo lường, kiểm sốt biên dạng 3D tồn chi tiết tròn xoay tác giả lựa chọn đề tài "Nghiên cứu đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay phương pháp quét laser" Mục đích, đối tượng, phương pháp phạm vi nghiên cứu - Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng cảm biến đo Laser Scan Micrometer: Cơ sở lý thuyết phương pháp đo, yếu tố ảnh hưởng đến độ xác đo đề xuất giải pháp nâng cao độ xác phương pháp xây dựng Thiết kế, chế tạo mơ hình thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser - Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu luận án đo biên dạng chi tiết trịn xoay có độ xác bề mặt cao, đặc biệt chi tiết đạn Cảm biến Laser Scan Micrometer sử dụng có đầu dạng xung đo - Phương pháp nghiên cứu: Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thí nghiệm, sử dụng cơng cụ tốn học kết hợp tin học xử lý kết thí nghiệm Trên sở nghiên cứu lý thuyết, thực tham khảo tổng hợp tài liệu, báo nước phương pháp đo biên dạng, tiến hành phân tích, xây dựng sở lý thuyết đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser Sử dụng công cụ phần mềm vẽ 3D để xây dựng lại biên dạng chi tiết tròn xoay từ tọa độ đám mây điểm thu Thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm, xử lý số liệu đo đo lường với mẫu trụ chuẩn, so sánh với phương pháp đo khác, … để kiểm chứng nhằm chứng minh sở khoa học luận điểm lý thuyết nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu: Các chi tiết trịn xoay có đường kính chi tiết (2 đến 40) mm, chiều dài đến 300 mm Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu a) Ý nghĩa khoa học đề tài nghiên cứu: - Luận án xây dựng sở phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser giúp làm chủ lý thuyết kỹ thuật đo phương pháp - Đã nghiên cứu, tính tốn yếu tố ảnh hưởng đến độ xác phương pháp đo Từ đó, đề xuất giải pháp nâng cao độ xác Ứng dụng phương pháp đảo ngược nhằm khử độ lệch tâm chi tiết đo trục quay - Nghiên cứu xây dựng phần mềm đo biên dạng chi tiết tròn xoay sở đám mây điểm thu từ cảm biến đo Laser Scan Micrometer, Thước quang Ecoder Tính tốn độ khơng đảm bảo đo phép đo biên dạng chi tiết tròn xoay thiết bị chế tạo b) Ý nghĩa thực tiễn đề tài nghiên cứu: - Hiểu làm chủ kỹ thuật đo, phương pháp đo để sử dụng hiệu thiết bị đo lường biên dạng quét laser - Nội dung luận án làm tài liệu tham khảo công tác nghiên cứu, giảng dạy phương pháp đo biên dạng 3D không tiếp xúc - Thiết bị sau nghiên cứu chế tạo sử dụng đo lường biên dạng 3D chi tiết tròn xoay, đặc biệt kiểm soát chất lượng đạn sản xuất Cơng nghiệp Quốc phịng Thiết bị chế tạo ứng dụng Trung tâm Đo lường/ Viện Công nghệ công nhận sáng kiến cấp Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng năm 2020 ứng dụng thiết bị chế tạo để đo biên dạng đạn Đạt giải ba Giải thưởng Khoa học Công nghệ Đo lường Việt Nam năm 2020 Đạt giải nhì Giải thưởng Tuổi trẻ sáng tạo Quân đội năm 2021 Các kết luận án - Xây dựng sở phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser Đánh giá số yếu tố ảnh hưởng đến kết đo phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser: cảm biến Laser Scan Micrometer, điểm đặt mẫu ban đầu, nghiêng trục dẫn hướng, lệch đầu đo Tính tốn sai lệch - Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ xác phương pháp đo: ứng dụng phương pháp đảo ngược khử độ lệch tâm, hiệu chỉnh vị trí chi tiết đo vùng quét, hiệu chỉnh sai số cảm biến LSM - Chế tạo thành công thiết bị thí nghiệm 3D-LSM-01 đo biên dạng chi tiết trịn xoay có đường kính (2 đến 40) mm, độ phân giải 0,05 µm, độ xác đường kính ± µm chiều dài đến 300 mm, độ phân giải 0,5 µm, độ xác ± µm Đánh giá khả đo thiết bị chế tạo thực nghiệm chứng minh giải pháp nâng cao độ xác đo đề xuất Tính tốn độ khơng đảm bảo đo thiết bị sau chế tạo Ứng dụng đo chi tiết biên dạng tròn xoay Bố cục luận án Luận án bố cục chương, bao gồm: Chương 1: Đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay Chương 2: Xây dựng sở phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay quét laser Chương 3: Thiết bị thực nghiệm yếu tố ảnh hưởng đến độ xác phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay quét laser Chương 4: Thử nghiệm đánh giá kết đo biên dạng chi tiết tròn xoay Kết luận hướng phát triển Chương ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Định nghĩa sai lệch biên dạng chi tiết tròn xoay Sai lệch đo biên dạng chi tiết tròn xoay giống sai lệch xác định biên dạng hình trụ theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 12180-1:2011, Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 5906 : 2007 TCVN 7294 -1: 2003 Định nghĩa mặt toán học vùng dung sai bao gồm tập hợp điểm Pi nằm hai hình trụ giới hạn có bán kính r1 r2 (r1 < r2) (Hình 1.2): Hình 2: Các điểm nằm dung sai [1] Sai lệch biên dạng chi tiết tròn xoay chia thành dạng sai lệch đường tâm Hình 1.3, sai lệch hướng tâm Hình 1.4 sai lệch mặt cắt mơ tả Hình 1.5 - Sai lệch đường tâm: độ lệch phơi hình trụ danh nghĩa có trục cong (ở chế độ phẳng không gian), có tiết diện hình trịn bán kính khơng đổi - Sai lệch hướng tâm, nghĩa biến thể kích thước mặt cắt ngang: độ lệch phơi hình trụ danh nghĩa có tất mặt cắt ngang hình trịn đồng tâm với trục thẳng, đường kính thay đổi dọc theo trục có quy luật đơn giản phức tạp ngẫu nhiên (độ lệch điển hình bao gồm hình nón, dạng thùng dạng phức tạp hơn) - Sai lệch mặt cắt: độ lệch phơi hình trụ danh nghĩa có mặt cắt ngang kích thước hình dạng, khơng trịn (Sai lệch độ trịn mặt cắt ngang phát sinh từ trình chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay kết hợp) Các sai lệch đánh giá thơng số độ trịn, độ trụ, độ thẳng: - Sai lệch độ tròn khoảng cách lớn ∆m từ điểm biên dạng thực tới điểm tương ứng đường tròn áp - Sai lệch độ thẳng khoảng cách lớn ∆s từ điểm đường thẳng thực tới đường thẳng áp - Sai lệch độ trụ khoảng cách lớn từ điểm biên dạng thực tới điểm tương ứng đường tròn áp chạy dọc toàn chiều dài gọi đối tượng 1.3 Các phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết tròn xoay Bất kỳ bề mặt cong ba chiều (3D) chi tiết đại diện tập hợp điểm biết tọa độ (x, y, z) sau sử dụng mơ hình tốn học để mơ tả hình dạng bề mặt dựa điểm Do đó, mục tiêu cuối kỹ thuật đo lường biên dạng 3D cho hai phương pháp tiếp xúc không tiếp xúc xác định tọa độ Descartes điểm bề mặt chi tiết đo [11, 12] Mỗi phương pháp đo biên dạng 3D có ưu nhược điểm khác nên tùy vào mục đích, tùy vào loại sản phẩm, yêu cầu sai số, … để người sử dụng lựa chọn phương pháp, loại thiết bị đo cho phù hợp Trong công nghiệp để đo biên dạng chi tiết tròn xoay thường sử dụng phương pháp đo như: Phương pháp đo với chi tiết chuyển động, đầu đo đứng yên; phương pháp với chi tiết đứng yên, đầu đo chuyển động phương pháp kết hợp chi tiết, đầu đo chuyển động (Hình 1.9) Phương pháp với chi tiết đo chuyển động địi hỏi phải có cấu gá đặt chi tiết cứng vững, yêu cầu độ xác chuyển động quay, tịnh tiến cao Phương pháp với đầu đo chuyển động yêu cầu dịch chuyển đầu đo phải xác Với thiết bị đo biên dạng yêu cầu độ xác cao thường lựa chọn giải pháp đầu đo cố định đo chi tiết đo chuyển động [13] Từ phương pháp dựa vào quan hệ cảm biến đo chi tiết đo ta có phương pháp đo tiếp xúc khơng tiếp xúc 1.3.1 Phương pháp đo biên dạng 3D tiếp xúc Phương pháp đo tiếp xúc phương pháp đo đầu đo bề mặt chi tiết đo tồn áp lực gọi áp lực đo Ví dụ đo dụng cụ đo khí quang, cơ, điện tiếp xúc, …áp lực làm cho vị trí đo ổn định kết đo tiếp xúc ổn định Tuy nhiên, có áp lực đo mà đo tiếp xúc không tránh khỏi sai số biến dạng có liên quan đến áp lực đo gây ra, đặc biệt đo chi tiết vật liệu mềm, dễ biến dạng có hệ đo cứng vững [11, 14] Đặc điểm phương pháp đo tiếp xúc phương pháp đo điểm, điểm xác định đầu dò tiếp xúc học với bề mặt cần đo đồng thời đánh dấu tọa độ điểm đo hệ tọa độ máy với thời gian xác định điểm đo lên đến phần mười giây thao tác đo nhiều dù có độ xác cao để đo chi tiết thường nhiều thời gian khó thực dây chuyền sản xuất [12, 15] Ngoài ra, với đầu đo tiếp xúc độ xác cao (đầu đo máy đo độ trịn) phạm vi đo lại bị giới hạn (vài trăm micromet) đo biên dạng trịn xoay có thay đổi bán kính lớn trở ngại 1.3.2 Phương pháp đo biên dạng 3D không tiếp xúc Phương pháp đo không tiếp xúc phương pháp đo sử dụng hệ thống quang học, đầu đo bề mặt chi tiết đo khơng có áp lực đo [12, 15] Phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng tia X, sóng siêu âm, laser phương pháp sử dụng nguyên lý quang học để thu thập liệu điểm đo phân loại thành dạng phương pháp là: quét chủ động (Active) quét bị động (Passive) [16, 17] (Hình 1.12) Phương pháp đo chủ động có độ xác cao song phương pháp đo bị động thường có tốc độ đo nhanh Hầu hết thiết bị đo sử dụng camera làm cảm biến hình ảnh với tốc độ chụp hình cao đến hàng triệu ảnh giây, số điểm đo tương ứng với số điểm ảnh camera nên tốc độ đo nhanh, có khả đo quét chi tiết trực tuyến [18, 19, 20, 21, 22, 23, 24] Hình 1: Phân loại phương pháp đo không tiếp xúc quang học 1.3.3 Phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser Nguyên lý phương pháp xác định biên dạng mặt cắt chi tiết tròn xoay quét laser đầu dạng xung với chi tiết quay (Hình 1.18) Kết hợp chuyển động tịnh tiến dọc trục xác định biên dạng tồn chi tiết trịn xoay cần đo Nguồn laser đặt tiêu diện trước thấu kính chuẩn trực TK1 nên chùm laser quét hai thấu kính TK1 TK2 chùm song song Khi chi tiết đo đặt vào vùng quét laser tín hiệu thu tế bào quang điện có dạng xung đoạn xung mức khoảng thời gian vùng laser bị che khuất chi tiết đo (Hình 1.20) Độ rộng xung tỷ lệ với kích thước chi tiết đo nên thơng qua việc xác định khoảng thời gian xung ta xác định kích thước chi tiết [27, 28, 29, 30] Hình 2: Nguyên lý cảm biến Laser scan micrometer Tín hiệu thu từ cảm biến có dạng xung với chu kỳ T = ton + toff Khi đặt vật đo vào vùng quét laser hai thấu kính đoạn xung ton chia thành đoạn t1, t2, t3 (Hình 1.20) với t1, t3 thời gian xung mức t2 thời gian xung mức 0, khoảng thời gian laser bị che khuất chi tiết đo Mạch xử lý tín hiệu đo cho ta giá trị thời gian t1, t2, t3 tính tốn khoảng cách tương ứng lần quét laser Chi tiết quay ta xác định biên dạng mặt cắt ngang chi tiết Hiện nay, cảm biến đo Laser scan micrometer công nghiệp đạt độ phân giải đến 0,01 µm, độ lặp lại 0,03 µm, độ xác 0,5 µm tốc độ quét mẫu đến vài nghìn lần/giây [28, 29, 30] Như vậy, với phương pháp đo biên dạng chi tiết trịn xoay sử dụng qt laser đạt độ xác tốc độ đo biên dạng cao 1.4 Các nghiên cứu nước phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay 1.5 Kết luận Chương Nội dung chương trình bày tổng quan phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay Phương pháp đo tiếp xúc cho độ xác cao tốc độ đo chậm, số loại độ xác cao dải đo lại hẹp với chi tiết mà kết đo ảnh hưởng lực đo yếu điểm phương pháp đo loại Ngoài ra, với phương pháp đo biên dạng tiếp xúc yêu cầu đầu đo phải hiệu chỉnh thường xuyên, kết cấu hệ thống đo phức tạp, khó thực trực tiếp dây chuyền sản xuất Với phương pháp không tiếp xúc cho tốc độ đo nhanh, đo trực tiếp dây chuyền sản xuất, khơng tồn lực đo nên đo chi tiết mềm, biên dạng phức tạp Tuy nhiên, phương pháp không tiếp xúc lại chịu ảnh ưởng nhiều môi trường, chất lượng bề mặt khó đạt độ xác cao phương pháp tiếp xúc Ngày nay, với phát triển phần cứng hỗ trợ phần mềm nhược điểm phương pháp đo khơng tiếp xúc khắc phục đáng kể, đặc biệt độ xác, phương pháp ngày ứng dụng rộng rãi đo lường công nghiệp Phương pháp đo biên dạng sử dụng laser quét cho tốc độ đo nhanh, độ xác cao nhờ sử dụng cảm biến đo Laser scan micrometer đạt độ phân giải đến 0,01 µm, độ lặp lại 0,03 µm, độ xác 0,5 µm tốc độ qt mẫu đến vài nghìn lần/giây Hiện nay, nghiên cứu giới chủ yếu phương pháp tiếp xúc tập chung nghiên cứu giải pháp giảm thiểu yếu tố ảnh hưởng đến sai số đo biên dạng chi tiết tròn xoay Một số nghiên cứu, ứng dụng laser 2D, laser sử dụng hiệu ứng Doppler đo biên dạng trịn xoay Chưa có cơng trình khoa học đầy đủ công bố phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng cảm biến Laser Scan Micrometer Do đó, nội dung luận án tập trung nghiên cứu vấn đề sau: - Nghiên cứu sở phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay - Nghiên cứu xây dựng phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay quét laser - Nghiên cứu, phân tích tính tốn yếu tố ảnh hưởng đến độ xác phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser - Đề xuất giải pháp nâng cao độ xác phương pháp đo xây dựng - Xây dựng mơ hình thiết bị thí nghiệm điều kiện Việt Nam - Thí nghiệm đo biên dạng số chi tiết trịn xoay đánh giá độ không đảm bảo đo phép đo biên dạng sử dụng thiết bị sau chế tạo Chương XÂY DỰNG CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY BẰNG QUÉT LASER 2.1 Mơ hình tốn học biên dạng chi tiết trịn xoay 2.1.1 Định nghĩa chi tiết tròn xoay 10 Trong tọa độ khơng gian đề vng góc OXYZ quay mặt phẳng YOZ chứa đường cong C(z,y) quanh trục OZ góc 360 điểm Pij đường cong C(z,y) vạch đường trịn có tâm Oi thuộc trục OZ nằm mặt phẳng vng góc với OZ Như vậy, quay đường cong C(z,y) nằm mặt phẳng YOZ quanh OZ tạo nên hình gọi mặt trịn xoay Đường C(z,y) gọi đường sinh mặt trịn xoay Trục OZ gọi trục mặt tròn xoay (Hình 2.1) Hình 1: Mơ hình chi tiết trịn xoay Tọa độ điểm Pij (xij, yij, zij) biên dạng chi tiết tròn xoay xác định sau:  xij  Rij sin  ij  (2 1)  yij  Rij cos  ij   zij  zi 2.1.2 Mơ hình tốn học biên dạng chi tiết trịn xoay thực Hình 3: Mơ hình tốn học biên dạng chi tiết trịn xoay 11 Biên dạng mặt cắt ngang chi tiết tròn xoay mơ tả tín hiệu có chu kỳ xác định với tần số tần số quay chi tiết Một chi tiết tròn xoay tạo thành từ mặt cắt ngang liên tiếp xếp theo hướng dọc trục hệ tham chiếu OXYZ hình 2.3 biên dạng chi tiết trịn xoay mô tả hàm Fourier mở rộng [32, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66]:  r  z ,   r0  z     a p ( z )cos( p )  bp ( z )sin( p )  p 1 (2 2) Trong công thức (2.4), thành phần 2-5 thành phần điều hòa bậc miêu tả tâm bình phương nhỏ (LSC) biên dạng mặt cắt ngang OXYZ Thành phần thành phần tuyến tính dọc trục Z (Thành phần lệch tâm đặt lệch trục) Nếu chúng loại bỏ, chi tiết tròn xoay nằm hệ tọa độ chi tiết O’X’Y’Z’ thể hình 2.3 Mặc dù hướng vị trí chi tiết nói chung thay đổi hệ tọa độ khác biên dạng chi tiết khơng thay đổi Do đó, mơ hình tốn học biên dạng chi tiết trịn xoay biểu thị công thức: (2 3) r  z,   r0  z   r1  z,   r2  z,  Ở đây:  Ma   Mb  r1  z ,     a1 j z j  cos( )    b1 j z j  sin( )  a1 cos( )  b1 sin( )  j2   j2  thành phần điều hòa bậc đặc trưng cho tâm bình phương nhỏ (LSC) biên dạng tròn mặt cắt thành phần thay đổi dọc trục Z Rõ ràng, đường tâm cong xác định thông qua LSC vectơ a1 ( z )  jb1 ( z ) thể hình 2.3  r2  z,     a p ( z )cos( p )  bp ( z )sin( p )  đại diện cho độ khơng trịn p2 biên dạng cắt ngang dọc theo chi tiết Do đó, biên dạng chi tiết trịn xoay coi tập hợp nhiều mặt cắt ngang xếp dọc theo đường tâm cong Chúng ta sử dụng phương pháp mặt cắt để đo độ lệch hướng tâm, độ tròn vectơ LSC mặt cắt ngang dọc theo chi tiết trịn xoay, sau xây dựng lại biên dạng chi tiết trịn xoay theo phương trình (2.5) Các lỗi biên dạng sau đánh giá dựa biên dạng chi tiết tròn xoay vừa xây dựng lại 12 2.2 Nguyên lý, cấu tạo cảm biến đo Laser Scan Micrometer 2.2.1 Nguyên lý hoạt động cảm biến Laser Scan Micrometer Hình 2: Nguyên lý hoạt động cảm biến đo LSM Nguyên lý hoạt động cảm biến đo Laser scan micrometer trình bày sau (Hình 2.7): Laser chiếu lên gương đa giác lắp cố định trục động Vị trí gương đa giác điều chỉnh cho điểm laser chiếu gương trùng với vị trí tiêu điểm trước thấu kính chuẩn trực Động quay làm quay gương đa giác tạo thành chùm tia laser sau qua thấu kính chuẩn trực trở thành chùm song song Thấu kính hội tụ có tác dụng hội tụ chùm tia song song quét qua vùng đo mặt cảm biến quang điện Khi đặt vật đo vào vùng quét laser hai thấu kính, đường kính vật đo tỷ lệ với thời gian chùm tia laser bị che khuất Sau sử lý tín hiệu thu từ cảm biến quang điện ta xác định thời gian che khuất tính kích thước vật đo [27, 28, 29, 30, 67, 68, 69] Với cảm biến quét laser LSM chu kỳ quét ta xác định thơng số sau (Hình 2.9): + Khoảng cách từ điểm cố định vùng quét laser phía (Điểm T) đến điểm cao bề mặt chi tiết đo (Điểm Pij) tương ứng với thời gian quét laser t1 + Khoảng cách từ điểm cao (Điểm Pij) đến điểm thấp (Điểm Hij) chi tiết đo (Đường kính vật đo) ) tương ứng với thời gian quét laser t2 + Khoảng cách từ điểm thấp (Điểm Hij) chi tiết đo đến điểm cố định thấp vùng quét laser phía (Điểm B) tương ứng với thời gian quét laser t3 13 2.2.2 Cấu tạo cảm biến Laser Scan Micrometer Cảm biến LSM cấu tạo có phận chính: - Bộ phận tạo tín hiệu đo: Gồm có hệ quang (Gương, thấu kính, laser) mạch tạo xung đo sở cảm nhận từ chi tiết đo - Bộ phận xử lý tín hiệu hiển thị kết đo: Gồm có xử lý chuyển đổi xung đếm thành kết đo kết hợp với hệ thống CPU chuyển đổi liệu đo sang giao diện khác như: thị, bàn phím, máy in, chuyển đổi D/A 2.3 Phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay xử dụng quét laser Như phân tích mục 2.1 ta có cơng thức xác định biên dạng chi tiết tròn xoay sau: (2 4) r  zi ,ij   r0  zi   r1  zi , ij   r2  zi ,ij  Như để xác định biên dạng chi tiết tròn xoay cần xác định thông số biên dạng r0(zi), r1(zi, ij), r2(zi, ij), dịch chuyển dọc trục zi góc quay ij (Hình 2.4) Phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng cảm biến Laser scan micrometer trình bày sau (Hình 2.18): Xét chi tiết hệ tọa độ đề OXYZ với trục OZ trùng với trục chi tiết đo, OX trùng với phương chùm quét laser (Chi tiết đặt vng góc với chùm laser) Hình 3: Nguyên lý đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser 14 2.4 Phương pháp quét mẫu xây dựng thuật toán đo biên dạng chi tiết tròn xoay 2.4.1 Phương pháp quét mẫu 2.4.2 Xây dựng thuật tốn đo biên dạng chi tiết trịn xoay 2.5 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay 2.6 Kết luận chương Nội dung chương trình bày định nghĩa mơ hình tốn học biên dạng chi tiết trịn xoay lý tưởng Xây dựng mơ hình tốn học biên dạng chi tiết trịn xoay thực Biên dạng chi tiết hình thành từ tập hợp biên dạng 2D mặt cắt ngang xếp dọc theo đường tâm cong Công thức xác định biên dạng chi tiết tròn xoay: r  zi ,ij   r0  zi   r1  zi , ij   r2  zi ,ij  với r0(zi) bán kính trung bình mặt cắt ngang zi; r1(zi, ij) đặc trưng cho tâm mặt cắt ngang xác định theo phương pháp tâm bình phương nhỏ (Least Squares Circles); r2(zi, ij) thể độ khơng trịn biên dạng mặt cắt ngang Đã trình bày nguyên lý hoạt động cảm biến đo Laser scan micrometer thông số xác định lần quét laser Trình bày cấu tạo chức phận cảm biến đo LSM Xây dựng phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser: Tọa độ điểm đo xác định tung độ yPij điểm Pij từ cảm biến đo LSM từ xác định tọa độ tâm phương pháp tâm bình phương nhỏ độ khơng trịn mặt cắt ngang Phân tích ưu điểm, nhược điểm phương án quét mẫu: Phương pháp lồng chim, phương pháp đường xoắn ốc, phương pháp đường sinh, phương pháp điểm phương pháp mặt cắt tròn Với đặc điểm quét laser cho tốc độ đo nhanh nên phương pháp quét mẫu theo mặt cắt tròn phù hợp để xây dựng biên dạng chi tiết trịn xoay Xây dựng thuật tốn sơ đồ nguyên lý thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay quét laser 15 Chương THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY BẰNG QUÉT LASER Nội dung chương tập trung xây dựng thiết bị thực nghiệm phân tích yếu tố ảnh hưởng đến độ xác phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay quét laser xây dựng Chương Có hai nguyên nhân gây sai số phương pháp đo kết cấu thiết bị đo Một nguyên nhân gây nhiều sai số sai số nhiều nguyên nhân Mục 3.1 trình bày nội dung xây dựng thiết bị thực nghiệm 3D-LSM-01 Mục 3.2 trình bày yếu tố ảnh hưởng đến độ xác phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay xử dụng quét laser: vị trí gá đặt mẫu, lệch đường dẫn hướng, cảm biến không qua tâm quay sai số cảm biến LSM Tính tốn, mơ ảnh hưởng yếu tố đưa giải pháp nâng cao độ xác Mục 3.3 trình bày số giải pháp nâng cao độ xác phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser (Phương pháp đảo ngược, giải pháp hiệu chỉnh vị trí vật đo vùng quét laser, hiệu chỉnh cảm biến LSM) Kết luận nội dung nghiên cứu Chương mục 3.4 3.1 Xây dựng thiết bị thực nghiệm 3D-LSM-01 Với sơ đồ nguyên lý thiết bị đo biên dạng chi tiết trịn xoay (Hình 24) trình bày Chương Luận án xây dựng mơ hình thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser 3D-LSM01 gồm phận cụm chuyển động quay, cụm chuyển động tính tiến, hiển thị tọa độ, hộp điều khiển, thiết bị quét laser, cảm biến đo góc quay dịch chuyển dọc trục (Hình 3.1) 16 Hình 1: Mơ hình thiết bị đo biên dạng chi tiết trịn xoay sử dụng phương pháp quét laser 3D-LSM-01 Hình 2: Thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser 3DLSM-01 sau chế tạo 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ xác phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay xử dụng quét laser 3.2.1 Sai số lệch điểm đặt mẫu ban đầu 3.2.2 Sai số cảm biến không qua tâm quay 3.2.3 Sai số lệch đường dẫn hướng 3.2.4 Sai số độ xác cảm biến đo LSM 3.3 Một số giải pháp nâng cao độ xác phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser 3.3.1 Nâng cao độ xác phương pháp đảo ngược 17 Hình 47: Nguyên lý phương pháp đảo ngược sử dụng đầu đo LSM Khi chi tiết quay kết đo thu từ đầu đo (đầu đo dưới) bao gồm biên dạng chi tiết độ lệch tâm Khi chi tiết đảo ngược (Quay 180o) kết đầu đo (đầu đo trên) phản ánh giá trị đo biên dạng độ lệch tâm ngược dấu Do đó, kết hợp hai liệu đo ta xác định biên dạng chi tiết loại bỏ độ lệch tâm vị trí góc quay Error! Reference source not found., Error! Reference source not found., Error! Reference source not found., Error! Reference source not found., Error! Reference source not found., Error! Reference source not found., Error! Reference source not found 3.3.2 Nâng cao độ xác hiệu chỉnh vị trí chi tiết đo vùng quét laser Trong mục 3.2.4.2e chứng minh ảnh hưởng đường kính tia laser vị trí quét cạnh chi tiết Khi kích đường kính nhỏ sai số giảm Ta làm cho đường kính tia Laser nhỏ cách thu hẹp tiết diện phát nguồn Laser điều gặp phải khó khăn quang thơng tia nhỏ làm giảm khả đọc tín hiệu tế bào quang điện Để thu hẹp đường kính tia laser ta sử dụng tính chất: "Một chùm sáng song song qua thấu kính hội tụ hội tụ tiêu diện nó" 18 Với sơ đồ đặt vị trí chi tiết hình 3.48 cạnh chi tiết đặt tiêu diện thấu kính đường kính tia qt nhỏ Như vậy, theo phương quét laser để nâng cao độ xác cần hiệu chỉnh vị trí chi tiết đo tiêu diện thấu kính chuẩn trực F Nhận xét mục 3.2.4.2d cho thấy chi tiết vị trí bất đối xứng cho sai số lớn chi tiết vị trí đối xứng với quang trục xa quang trục sai số tăng Do đó, để giảm sai số vị trí chí tiết đo cần đối xứng với quang trục Hình 48: Sự thu hẹp đường kính tia quét laser tiêu diện thấu kính 3.3.3 Nâng cao độ xác hiệu chỉnh cảm biến LSM Mục 3.1.2 tính tốn mối quan hệ kích thước đo kích thước thực tế phản xạ bề mặt gây tuyến tính ( Dđo   cos  const D ) Sai số đo đường kính chi tiết cảm biến LSM tăng góc quét  tăng (Đường kính tăng) Vì vậy, hai trường hợp để nâng cao độ xác phương pháp cần hiệu chỉnh cảm biến LSM dải khác việc sử dụng mẫu trụ chuẩn có kính thước nằm dải đo cảm biến LSM Hiệu chỉnh máy thực chất việc điều chỉnh kết đo theo quy luật mà người sử dụng mong muốn sở khả cho phép xử lý phần mềm cảm biến LSM 3.4 Kết luận chương Nội dung chương phân tích nguyên nhân gây sai số phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser: Sai lệch điểm đặt mẫu ban đầu (lệch tâm lệch trục), sai lệch 19 đầu cảm biến không qua tâm quay, sai số lệch đường dẫn hướng ban đầu q trình chuyển động Tính tốn sai số ảnh hưởng mơ với tốn cụ thể Phân tích, tính tốn ngun nhân gây sai số đo cảm biến đo LSM: + Độ lệch tiêu điểm sử dụng gương đa giác + Xác định độ không song song tia quét tia quét góc lệch tiêu điểm + Sai số đo tia quét không song song với quang trục + Sai số đường kính chi tiết đo vận tốc quét tia laser + Sai số kích thước tia laser + Sai số độ ổn định góc quay gương đa giác + Sai số hình dáng chi tiết + Sai số đặc trưng bề mặt chi tiết Nghiên cứu đề xuất giải pháp nâng cao độ xác phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay quét laser: + Xây dựng giải pháp nâng cao độ xác đo phương pháp đảo ngược nhằm khử độ lệch tâm tâm chi tiết đo tâm quay + Nâng cao độ xác hiệu chỉnh vị trí chi tiết đo vùng quét laser + Nâng cao độ xác phương pháp hiệu chỉnh sai số cảm biến LSM Chương THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRỊN XOAY Để đánh giá kết nghiên cứu phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser giải pháp kỹ thuật nâng cao độ xác cần nghiên cứu thực nghiệm thiết bị đo chế tạo Chương trình bày kết đánh giá sai số thiết bị thử nghiệm mục 4.1 Mục 4.2 thử nghiệm chứng minh giải pháp đảo ngược nâng cao độ xác Mục 4.3 thử nghiệm chứng minh ảnh hưởng vị trí đặt mẫu vùng laser quét đến sai số đo biên dạng Tính tốn độ khơng đảm bảo đo phương pháp thiết bị đo biên dạng chế tạo trình bày mục 4.4 Mục 4.5 kết đo biên dạng số chi tiết dạng tròn xoay kết luận phương pháp, thiết bị đo, ứng dụng mục 4.6 20 4.1 Đánh giá thiết bị đo biên dạng 3D-LSM-01 Mục đích nhằm đánh giá khả sai số thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay 3D-LSM-01sau chế tạo - Đánh giá sai số cảm biến LS5041 - Đánh giá sai số trục Z - Đánh giá sai lệch độ thẳng ray dẫn hướng 4.2 Thí nghiệm giải pháp nâng cao độ xác đo phương pháp đảo ngược Nội dung phần 3.2 trình bày giải pháp đảo ngược nâng cao độ xác phương pháp đo cách sử dụng tín hiệu đo đầu vào đầu đối xứng cảm biến LSM Tiến hành thí nghiệm chứng minh tính khả thi giải pháp 4.3 Thí nghiệm xác định ảnh hưởng vị trí chi tiết vùng quét laser 4.4 Đánh giá độ không đảm bảo đo thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay thiết bị quét laser 3D-LSM-01 4.4.1 Độ không đảm bảo đo biên dạng theo phương ngang trục 4.4.2 Độ không đảm bảo đo biên dạng theo phương dọc trục Như vậy, phần tính tốn thí nghiệm mục 4.4.1 4.4.2 chứng minh thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay 3D-LSM-01 chế tạo có độ khơng đảm bảo đo mở rộng ngang trục 1,68 µm dọc trục µm với hệ số phủ k = xác xuất tin cậy 95% 4.5 Đo biên dạng số chi tiết tròn xoay thiết bị quét laser 3D-LSM-01 4.5.1 Đo biên dạng chi tiết trục nhôm bậc Sơ đồ bố trí thí nghiệm Hình 4.18 Sau thu tập liệu điểm đo biên dạng chi tiết trục nhôm bậc chuyển qua phần mềm 3D Meshlab ta biên dạng Hình 4.26b,c Biên dạng đo thu thể ảnh phía bên phải (Hình 4.26b Hình 4.26c) phản ánh biên dạng thực tế chi tiết quét ảnh phía bên trái chụp (Hình 4.26a) 21 Hình 26: Biên dạng chi tiết trục nhôm bậc a) Chi tiết trục nhôm bậc, b) Biên dạng đo dạng điểm, c) Biên dạng đo dạng lưới điểm 4.5.2 Đo biên dạng chi tiết đạn - Đo biên dạng chi tiết đạn 14,5 mm: Hình 30: Đo biên dạng chi tiết đạn 14,5 mm - Đo biên dạng chi tiết đạn Hải quân STVĐ 25 mm: Hình 31: Đo biên dạng chi tiết đạn Hải quân STVĐ 25 mm 22 Từ kết biên dạng đạn đo thiết bị quét laser 3DLSM-01 ta xác định kích thước cần đo So sánh với vẽ thiết kế để đánh giá phù hợp chất lượng q trình gia cơng lắp ghép đạn sản xuất 4.6 Kết luận chương Sử dụng chuẩn mẫu đánh giá sai số thiết bị đo biên dạng chế tạo: Sai số máy LSM, sai số dịch chuyển dọc trục, sai lệch đường dẫn hướng Thí nghiệm đánh giá giải pháp nâng cao độ xác phương pháp đảo ngược Đánh giá ảnh hưởng vị trí chi tiết đo vùng quét laser đến kết đo biên dạng Đánh giá độ không đảm đo thiết bị đo sau chế tạo Độ không đảm bảo đo mở rộng theo phương ngang trục 1,68 µm, phương dọc trục µm với hệ số phủ k = 2, xác xuất tin cậy 95% Với độ không đảm bảo đo cảm biến hồn tồn ứng dụng đo biên dạng chi tiết đạn sản xuất quốc phịng Tiến hành thí nghiệm đo biên dạng số dạng chi tiết trịn xoay thơng dụng, đặc biệt biên dạng loại đạn sản xuất quốc phịng Kết đo biên dạng chứng minh tính khả thi phương pháp đo biên dạng luận án đề xuất KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN Sau trình nghiên cứu lý thuyết xây dựng thí nghiệm đánh giá luận án đạt kết với đóng góp mang ý nghĩa khoa học thực tiễn sau: Luận án nghiên cứu, phân tích ưu nhược điểm phương pháp đo biên dạng Các nghiên cứu giới nước đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay Luận án nghiên cứu xây dựng sở toán học biên dạng chi tiết tròn xoay Xây dựng phương pháp đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến sai số phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser: yếu tố cảm biến Laser Scan Micrometer, điểm đặt mẫu ban đầu, nghiêng trục dẫn hướng, lệch đầu đo Phân tích đưa giải pháp nâng cao độ xác 23 Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ xác phương pháp đo: ứng dụng phương pháp đảo ngược khử độ lệch tâm, hiệu chỉnh vị trí chi tiết đo vùng quét, hiệu chỉnh sai số cảm biến LSM Chế tạo thành cơng hệ thống thí nghiệm đo biên dạng chi tiết trịn xoay có đường kính (2 đến 40) mm, độ phân giải 0,05 µm, độ xác đường kính ± µm; chiều dài đo đến 300 mm, độ phân giải dọc trục 0,5 µm, độ xác ± µm Thí nghiệm đánh giá mẫu chuẩn so sánh với thiết bị đo biên dạng cơng nghiệp F135 nhằm chứng minh tính đắn luận điểm khoa học đưa ra: tâm chi tiết xa tâm quét laser sai số đo biên dạng lớn, loại bỏ độ lệch tâm chi tiết tâm bàn quay phương pháp đảo ngược Tính tốn độ khơng đảm bảo đo cảm biến đo biên dạng chi tiết tròn xoay phương pháp quét laser sau chế tạo Độ không đảm bảo đo mở rộng theo phương ngang trục 1,68 µm, phương dọc trục µm với hệ số phủ k = 2, xác xuất tin cậy 95% Với độ khơng đảm bảo đo thiết bị ứng dụng đo biên dạng chi tiết đạn sản xuất Cơng nghiệp Quốc phịng HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ xác phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay quét laser trực tiếp hệ thống dây chuyền sản xuất Hoàn thiện phần mềm xử lý liệu lớn điểm đo thu nhằm nâng cao xuất đo 24 ... nước đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay Luận án nghiên cứu xây dựng sở toán học biên dạng chi tiết tròn xoay Xây dựng phương pháp đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser Nghiên. .. "Nghiên cứu đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay phương pháp quét laser" Mục đích, đối tượng, phương pháp phạm vi nghiên cứu - Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng chi tiết. .. 30] Như vậy, với phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser đạt độ xác tốc độ đo biên dạng cao 1.4 Các nghiên cứu nước phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay 1.5 Kết luận